小型氣動機械手的設計【4個自由度】【圓柱坐標型】

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[2]濮良貴?紀名剛主編.機械設計[M].高等教育出版社，2004.2 [3]朱世強?王宣銀?編著.機器人技術及其應用[J].?浙江大學出版社，2001.7 [4]劉延俊?主編.液壓與氣壓傳動[J].機械工業(yè)出版社，2006.12 [5]王天然?主編.機器人[J].化學工業(yè)出版社，2002.01?? [7]吳宗澤?羅圣國主編.機械設計課程設計手冊第三版[M].高等教育出版社，2009.12 [8]System?Indentification?Toolbox?User’s.?The?MathWorks,Inc.1997 [9]Goodwin?G?C,Payne?R?L.?Dynamic?System?Identification,Experiment?Design?and?Data?Analysis.?New?York:Academis?Press.1997 工作進度安排 起止日期 主要工作內容 2012.11.06～2012.12.02 選題 2012.12.03～2012.12.05 接受任務書 2012.12.06～2013.01.13 撰寫開題報告和開題 2013.01.14～2013.03.29 畢業(yè)設計 2013.03.30～2013.04.01 中期考核 2013.04.02～2013.05.06 完善畢業(yè)設計與畢業(yè)設計總結 2013.05.07～2013.05.10 提交正稿與指導老師評閱 ? ? 要求完成日期：20?12??年??5??月??06??日????????指導教師簽名：???????????????????????? 審查日期：20?12??年??12??月??04??日????????????專業(yè)委員會主任簽名：?????????????????? 批準日期：20?12??年??12??月??05??日????????????學院指導委員會簽名（公章）：??????????? 接受任務日期：20?12??年???12?月?05???日????????學生本人簽名：???????????????????????? 注：簽名欄必須由相應責任人親筆簽名。此表可從教務處網(wǎng)站下載中心下載。 注：此表如不夠填寫，可另加附頁。 ? 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生 畢業(yè)論文（設計）開題報告 學生姓名 學 號 年級專業(yè)及班級 指導教師及職稱 教授 學 院 工學院 20 13 年 01 月 07 日 畢業(yè)論文（設計）題目 小型氣動機械手的設計 文獻綜述（選題研究意義、國內外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻等，不少于1000字） 一、選題研究意義 機械手是一種模仿人手部分動作，按照預定設定的程序、軌跡或其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的機械化裝置，通用機械手在國內又叫工業(yè)機器人。工業(yè)機器人的應用領域非常廣泛，主要用于生產(chǎn)制造過程中的焊接、切割、裝配、噴漆、搬運、包裝、產(chǎn)品檢驗等等，目前在汽車制造業(yè)生產(chǎn)線上服役的工業(yè)機器人占總體數(shù)量的一半以上。 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術制定的原則綱領行動。工業(yè)機器人的使用將會越來越普及，工業(yè)機器人可以確保運轉周期的一貫性，提高品質。另外，讓工業(yè)機器人取代普通工人搬運零件不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。由此可見，工業(yè)機器人的廣泛應用即將到來，在未來的制造業(yè)中，將會有越來越多的工業(yè)機器人把人從繁重的勞動中解脫出來。因此，如何設計出一個功能強大，結構穩(wěn)定的工業(yè)機器人變成了迫在眉睫的問題。 二、國內外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 機器人的最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物。1961年，美國的Consolided Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。迄今為止，世界上對工業(yè)機器人的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的機器人產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成就，但與美、日等國相比還存在較大的差距。 當前，機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。是當代十分活躍的研究開發(fā)領域，它包括正在逐步深入的機器人學基礎技術研究，也包擴對國民經(jīng)濟有著重要作用的機器人工程應用技術研究。 當今工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢主要有： 1.向智能化方向發(fā)展； 2.工業(yè)機器人質量不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作及維修），單機價格不斷下降 3．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性； 　 4．機器人中的感應技術日益重要； 　 5．虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制； 　 6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制。 三、參考文獻 [1]王孫.關節(jié)式機械手本體及控制系統(tǒng)設計[J].西安交大機械電子工程研究所.CN 44-1259/TH. [2]濮良貴 紀名剛主編.機械設計[M].高等教育出版社，2004.2 [3]朱世強 王宣銀 編著.機器人技術及其應用[J]. 浙江大學出版社，2001.7 [4]劉延俊 主編.液壓與氣壓傳動[J].機械工業(yè)出版社，2006.12 [5]王天然 主編.機器人[J].化學工業(yè)出版社，2002.01 [7]吳宗澤 羅圣國主編.機械設計課程設計手冊第三版[M].高等教育出版社，2009.12 [8]機械手-理論與應用[M].中國鐵道出版社，1985 [9]機械人[M].(英）約翰F.揚 科學出版社，1985 [10]操作機器人動力學與算法[M].機械工業(yè)出版社，1985 [11]System Indentification Toolbox User’s. The MathWorks,Inc.1997 [12]Goodwin G C,Payne R L. Dynamic System Identification,Experiment Design and Data Analysis. New York:Academis Press.1997 [13]Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation Research. Prentice Hall Inc.1977 研究方案（研究目的、內容、方法、預期成果、條件保障等） 研究目的: 小型氣動機械手，是機、氣知識的一次綜合運用。通用機械手的應用廣泛，可以把人從繁重和重復的勞動中解脫出來。 設計內容:在規(guī)定時間內，按設計要求完成氣動機械手機身、大臂、小臂及手腕的設計。 方法:根據(jù)現(xiàn)有機械手的基本形式設計整體機構，然后根據(jù)要求逐步設計各個部分，設計中盡量標準件。 預計成果: 此設計的小型氣動機械手能對不同物體完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯浴? 條件保障: 1、現(xiàn)有的先進的微機自動控制理論能保證自動化手臂的運轉正常； 2、現(xiàn)有的機械加工工藝安全可以保證產(chǎn)品的加工精度。 進程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等） 2012.11.06～2012.12.02 選題 2012.12.03～2012.12.05 接受任務書 2012.12.06～2013.01.13 開題報告、開題論證記錄 2013.03.30～2013.04.01 中期檢查表 2013.05.01～2013.05.06 提交畢業(yè)設計初稿和所有書、表 2013.05.07～2013.05.13 修改完成正稿和書、表以及交學院預審 2013.05.14～2013.05.26 答辯、成績評定冊 論證小組意見 組長簽名： 20 年 月 日 專業(yè)委員會意見 專業(yè)委員會主任簽名： 20 年 月 日 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應責任人親筆填寫。 2. 此表可從教務處網(wǎng)站下載中心下載。 3.此表如不夠填寫，可另加頁。 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)論文（設計） 開題論證記錄 學 院： 工學院 記錄人： 學生姓名 學 號 年級專業(yè)及班級 2009級機械設計制造及其自動化（1）班 指導教師姓名 指導教師職稱 副教授 論文（設計）題目 小型氣動機械手的設計 論證小組質疑： 1、設計的重點在哪里？ 2、機械手運動設計方案如何確定？ 3、你如何保障你的設計時間以及工作時間？ 學生回答簡要記錄： 1、設計主要在機械手機構、控制系統(tǒng)以及驅動系統(tǒng)的選擇、整體設計。 2、機械手的運動設計采用多種方案進行比較的的方法。對自由度數(shù)、運動路程、定位點的數(shù)目進行全面分析。 3、我現(xiàn)階段還不需要到公司進行實習，所以我會利用好我現(xiàn)有的時間，高效率地完成，安排好我的每一步所需要的時間，在我去公司實習時就可以很好的完成，待到答辯的時間我可以向公司請假返校答辯。 論證小組 成員簽名 論證地點： 論證日期：20 年 月 日 注：此表可從教務處網(wǎng)站下載中心下載。記錄、簽名欄必須用黑色筆手工填寫。 目 錄 摘 要…………………………………………………………………………………1 關鍵詞…………………………………………………………………………………1 1 前言…………………………………………………………………………………2 2 機械手的總體設計方案……………………………………………………………3 2.1 機械手的基本結構………………………………………………………………3 2.1.1 手部……………………………………………………………………………3 2.1.2 腕部……………………………………………………………………………4 2.1.3 臂部……………………………………………………………………………4 2.2 機械手基本形式的選擇…………………………………………………………4 2.3 機械手的主要部件及運動參數(shù)設計……………………………………………4 3 手部的設計…………………………………………………………………………5 3.1 手部的基本要求…………………………………………………………………5 3.1.1 夾持式手部結構………………………………………………………………5 3.1.2 對手部的基本要求……………………………………………………………6 3.2 手部的結構設計…………………………………………………………………6 3.3 手部的計算………………………………………………………………………7 3.3.1 手指夾緊力的計算……………………………………………………………7 3.3.2 驅動力計算……………………………………………………………………7 3.3.3 氣壓缸直徑計算………………………………………………………………7 3.3.4 缸筒壁厚的設計………………………………………………………………9 4 腕部的設計………………………………………………………………………10 4.1 腕部的基本要求………………………………………………………………10 4.2 腕部的結構設計………………………………………………………………10 4.3 腕部的計算……………………………………………………………………11 4.3.1 驅動力計算…………………………………………………………………11 4.3.2 液壓缸壓力驗算……………………………………………………………12 5 臂部設計…………………………………………………………………………14 5.1 臂部的基本要求………………………………………………………………14 5.2 臂部的具體設計方案…………………………………………………………15 5.3 手臂伸縮的計算………………………………………………………………15 5.4 手臂升降的計算………………………………………………………………16 5.4.1 尺寸設計……………………………………………………………………16 5.4.2 尺寸校核……………………………………………………………………16 5.5 手臂回轉氣缸的計算…………………………………………………………17 5.5.1 尺寸設計……………………………………………………………………17 5.5.2 尺寸校核……………………………………………………………………17 6 氣動系統(tǒng)設計……………………………………………………………………18 6.1 氣動系統(tǒng)設計要求及選擇……………………………………………………18 6.2 氣壓回路的選擇………………………………………………………………19 6.2.1 各氣壓缸的換向回路………………………………………………………19 6.2.2 調速方案……………………………………………………………………19 6.2.3 緩沖回路……………………………………………………………………19 6.2.4 系統(tǒng)安全可靠性……………………………………………………………19 6.3 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖……………………………………………………19 6.3.1 工作原理圖…………………………………………………………………19 7 結論………………………………………………………………………………20 參考文獻 ……………………………………………………………………………20 致 謝………………………………………………………………………………21 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 畢業(yè)設計作者簽名： 年 月 日 小型氣動機械手的設計 學 生： 指導老師： (湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) 摘 要：本文主要進行了氣動機械手的總體結構設計和氣動設計。機械手的機械結構由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。 關鍵詞：氣動機械手；氣缸；控制閥；回路；設計 Design of Small Pneumatic Manipulator Student:zhong yang Tutor:chen wenkai (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 1 前言 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。 機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。 氣動機械手強調模塊化的形式, 現(xiàn)代傳輸技術的氣動機械手在控制方面采用了先進的閥島技術(可重復編程等), 氣動伺服系統(tǒng)(可實現(xiàn)任意位置上的精確定位), 在執(zhí)行機構上全部采用模塊化的拼裝結構。 90年代初, 由布魯塞爾皇家軍事學院Y. Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人——“阿基里斯” 六腳勘探員, 是氣動技術、PLC控制技術和傳感技術完美結合產(chǎn)生的“六足動物”。6個腳中的每一個腳都有3個自由度, 一個直線氣缸把腳提起、放下, 一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動, 另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心做旋轉之用。 由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人, 它集遙感技術和真空技術于一體, 成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。 T ron-X電子氣動機器人, 能與人親切地握手,它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動, 并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下(或通過自身的編程控制) 能與人進行對話, 或作自我介紹等。T ron-X電子氣動機器人集電子技術、氣動技術和人工智能為一體, 它告訴我們, 氣動技術能夠實現(xiàn)機器人中最難解決的靈活的自由度, 具有在足夠工作空間的適應性、高精度和快速靈敏的反應能力。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。 氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。 2 氣動機械手的總體設計方案 2.1 機械手的基本結構 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行機構主要是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。 2.1.1 手部 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機械手直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器手的手部。氣動手指是模擬人的手指抓緊工件，以實現(xiàn)機械手的動作的氣缸。按結構特點可分為旋轉驅動型、平行開閉型、支點開閉型和三爪開閉型。 2.1.2 腕部 腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預定姿態(tài)，是操作機的中結構最為復雜的部分。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉氣壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小，一般小于 270度,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 2.1.3 臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 2.2 機械手的基本形式選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手； (2)圓柱坐標型機械手； (3)球坐標(極坐標)型機械手； (4)多關節(jié)型機機械手。 其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。 2.3 機械手的主要部件及運動參數(shù)設計 在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計的機械手具有4個自由度：手臂伸縮；手臂回轉；機身回轉；機身升降。 本設計的機械手主要由3個大部件和4個氣缸組成： 手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現(xiàn)手爪的張合。 臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。 機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉。 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動[1]。 設計技術參數(shù): （1）抓重:2Kg (夾持式手部) （2）自由度數(shù):4個自由度 （3）座標型式:圓柱座標 （4）最大工作半徑:600mm （5）手臂最大中心高:400mm （6）手臂運動參數(shù) 伸縮行程：350mm 伸縮速度： 200mm/s 升降行程：250mm 升降速度： 100mm/s 回轉范圍：0~360° 回轉速度： 60mm/s 3 手部的設計 3.1 手部的基本要求 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是圓柱形式時，使用夾持式手部；如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構。本次設計采用的是夾持式手部結構。 3.1.1夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜鍥杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.2 對手部的基本要求 （1）具有足夠的夾緊力； 在確定手指的夾緊力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 （2）手指間應具有一定的開閉角； 兩手指張開和閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好。 （3）保證工件準確定位； 在設計的過程中總會出現(xiàn)些許偏差，所以在選用配合的時候都采用IT8級，能滿足工件的定位。 （4）具有足夠的強度和剛度； 手部的材料通常采用強度和剛度都要同時能滿足抓取物件的大小，但同時也考慮到是氣壓傳動，力比較小，所以不會采用鋼材類等。 （5）考慮被抓工件的形狀要求。 3.2 手部的結構設計 根據(jù)本機械手的使用范圍，本機械手采用手指式機械手部。根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便如圖1。 圖1齒輪齒條式手部 Fig 1 The hand of gear wheel 之所以不選用平行開閉手指是因為其所夾緊的工件直徑較大，開閉行程比較難滿足。 3.3 手部的計算 3.3.1手指夾緊力的計算 手指夾在工件上的夾緊力時設計手部的主要依據(jù)，一般來說手指對工件的夾緊力可按下式計算： （1） 式中： ——安全系數(shù)，有機械手的工藝及設計要求確定，通常在1.2~2.0，故取1.5； ——工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計算最大加速度，得出工件情況系數(shù)，=1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=1.02，故取1； ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及工件位置不同進行選定，，摩擦系數(shù),故取3。 ——被抓取的工件的重量 Kg 所以 。 3.3.2 驅動力計算 根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為： （2） 由圖3-2可知，b=120mm ,R=24mm, 故 =90N 實際驅動力： （3） 因為8級精度的齒輪傳動的效率，，。 所以 N 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為139.2N。 3.3.3 氣壓缸直徑計算 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力。其公式為： （4） 式中： ——活塞桿上的推力，N ——彈簧反作用力，N ——氣缸工作時的總阻力，N ——氣缸工作壓力，Pa。 彈簧反作用力計算如下： 式中： ——彈簧剛度，N/m ——彈簧預壓縮量，m ——活塞行程，m ——彈簧鋼絲直徑，m ——彈簧平均直徑，m ——彈簧外徑，m ——彈簧有效圈數(shù)， ——彈簧材料剪切模量，一般取 在設計中，必須考慮負載率的影響，故： （5） 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （6） 代入有關數(shù)據(jù)，可得： = =3677.46(/m) =3677.4660 =220.6(N) 所以可得到 = =39.08(mm) 查《機械設計手冊（氣壓傳動）》表22-1-20，得D=40mm 由[2]d/D=0.3~0.5，可得活塞桿直徑： d=(0.3~0.5)D=12~20mm 故取活塞桿直徑d=18mm校核，按公式： 化簡得 其中， 則： =1.2218 所以滿足活塞桿設計要求。 3.3.4 缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣壓缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，由于D/,故其壁厚可按厚壁筒公式[1]計算: （7） 式中 —— 缸筒壁厚 mm D——氣缸內徑 mm P——實驗壓力，取P=1.5P，Pa 缸筒應采用不銹鋼、鋁合金或黃銅等材質 本設計采用材料：ZL303 n為安全系數(shù)，一般取5。 =0.456（mm） 故取，則缸筒外徑為40+2.52=45mm。 4 腕部的設計 4.1 腕部的基本要求 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必須設有回轉運動才可能滿足工作的要求。換句話說，為了使手部出于空間任意方向，要求腕部能分別對空間三個坐標軸X、Y、Z實現(xiàn)轉動。手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 設計時主要要注意以下幾點： （1）結構盡量緊湊以減輕重量； （2）轉動的靈活性及密封性； （3）考慮通向手部油路的配置。 4.2腕部的結構設計 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具備有獨立的自由度，使得機械手適應復雜的動作要求。由于本機械手抓取的工件是水平放置；同時考慮到通用性，因此給手腕設計一繞X軸轉動回轉運動才可以滿足工作的要求，目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉氣缸，它的結構緊湊，但回轉角度小于360度，并且要求嚴格的密封。 圖2 手腕回轉時受力狀態(tài) 1-工件 2-手部 3-手腕 Fig2The stress state of wrist rotation 1- the 2- hand 3- wrist 驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩已經(jīng)由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。如圖2。 4.3 腕部的計算 4.3.1 驅動力計算 手腕轉動時所需的驅動力矩可按[1]下式計算： (8) 式中：——驅動手腕轉動的驅動力矩(Ncm) ——慣性力矩(Ncm) ——偏重力矩(Ncm) ——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Ncm)。 根據(jù)圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算： （1）若手腕起動過程按等加速運動，手腕角速度為，起動過程所用的時間為，則： (Ncm) (9) 式中： ——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量（N） ——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量（N） ——手腕轉動時的角速度（弧度/S） ——起動過程所需的時間（s） 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為： (10) 式中： ——工件對過重心軸線的轉動慣量（N） ——工件的重量(N) ——工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm) （2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 (Ncm) (11) 式中： ——手腕轉動件的重量（N） ——手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距（cm） 當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則。 （3） 手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 (Ncm) 式中： ——轉動軸的軸頸直徑（cm） ——摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承 ——處的支承反力（N），可按手腕轉動軸的受力分析求解， 根據(jù)，得： 同理，根據(jù)，得： (12) 式中： ——手部的重量(N) ——長度尺寸（cm）。 4.3.2 氣壓缸壓力驗算 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉液壓缸，它的原理如圖3所示。 圖3回轉氣缸 Fig3 Rotary cylinder 定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當液體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的液體從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。葉片J氣缸的壓力p和驅動力矩M的關系為: 或 (13) 式中： M——回轉氣缸的驅動力矩(N﹒cm) P——回轉氣缸的工作壓力(N﹒cm) R——缸體內壁半徑(cm) r——輸出軸半徑(cm) b——動片寬度 (cm)。 氣缸長度設計為b=100mm，氣缸內徑為，半徑R=48mm，軸徑mm,半徑R=13mm,氣缸運行角速度，加速度時間，壓強p=0.4MPa,則力矩： = =32.6(N﹒m) （1） 測定參與手腕轉動的部件的質量，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： (14) = =0.0125(kg) 工件的質量為2kg,質量分布于長玻璃杯上，那么轉動慣量： (15) = =0.0066（kg） 假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的玻璃杯來說，最大偏心距，其轉動慣量為： (16) =0.0066+2 =0.0117（kg） (17) =(0.0125+0.0117) =21.8(N) (2) 手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕動作重心與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線=50mm，則有： (18) =2 =1(N) (3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，滑動軸承，為手腕轉動軸的軸頸直徑，，為軸頸處的支承反力，粗略估計。 (19) = =0.15（N） (4)回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，與選用的密封裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況具體分析。此處粗略估計為的3倍，則有： =3 (20) =3 =0.15（N） 故 =21.8+1+0.05+0.15 =23（N） 因為 所以滿足設計要求。 5 臂部的設計 5.1 臂部的基本要求 臂部是支撐手部和腕部的，主要用來改變工件位置的部件。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。 臂部的運動與結構形式對機械手的工作性能有著重大的影響。其基本要求有： (1) 剛度要好 手臂的截面形式要選擇合理，常用鋼管作手臂和導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。 (2) 偏重力矩要小 所謂偏重力矩是指臂部的重量對其支承回轉軸所產(chǎn)生的力矩。 (3) 重量要輕，慣性要小 由于機械手在高速的情況下經(jīng)常啟停和換向，為了減少沖擊，必須設有緩沖裝置。 (4) 導向性要好 為了防止手臂在直線移動中沿運動軸線發(fā)生相對運動，保證手部的正確方向，必須設有一導向裝置。其結構應根據(jù)手臂的安裝形式、抓取重量和運動行程等因素來確定。 5.2 臂部的具體設計方案 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： (1)雙導桿手臂伸縮機構； (2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構； (3)雙活塞桿液壓缸結構； (4)活塞桿和齒輪齒條機構。 在本次設計手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參考各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本次設計的要求，氣缸采用CTA系列的伸縮氣缸。初選內徑80/50，故mm，R=25mm,設計所使用的壓強P=0.4MPa。 5.3 手臂伸縮的計算 手臂伸縮時需要克服摩擦力和慣性力，其驅動力可按下式[1]計算： (21) 式中： ——摩擦阻力包括導軌支承間的摩擦阻力；活塞與氣缸及密封處的摩擦阻力 ——起動過程的慣性力；其大小按下式[1]估算 (22) 式中： G——手臂移動部件的總質量 kgf g——重力加速度 ——手臂運動速度 t——起動時所需的時間 s 一般t=0.01s~0.5s K——摩擦系數(shù)，一般k=0.2， 故： = =180（N） 液壓缸實際驅動力 ==785（N） 因為F>故滿足設計要求。 5.4 手臂升降的計算 5.4.1尺寸設計 氣缸運行長度設計為，氣缸內徑為，半徑R=31.5mm，氣缸運行速度，加速度時間，設計壓強P=0.4MPa，則驅動力為： = =1246.3（N） 5.4.2 尺寸校核 升降運動時，活塞氣缸的驅動力可按下式[1]計算 (23) 式中： ——各個支撐處的摩擦力 kgf ——啟動時慣性力　kgf W——運動部件（包括手部、腕部、工件等的總重量） kgf ——上升時為正，下降時為負 取0.5，代人數(shù)據(jù)可得： = = = 因為 故所設計尺寸符合實際使用要求。 5.5 手臂回轉氣缸的計算 5.5.1 尺寸設計 氣缸長度設計為b=120mm,氣缸內徑為，半徑R=105mm，軸徑，半徑R=20mm，氣缸運行角速度，加速度時間，壓強P=0.4MPa。 則力矩： = =（N） 5.5.2 尺寸校核 腕部回轉時驅動力矩可按下式計算： 式中：——驅動手腕轉動的驅動力矩(Ncm) ——慣性力矩(Ncm) ——偏重力矩(Ncm) ——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Ncm)。 （1）測定參與手腕轉動的部件的質量，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： = =0.5(kg) =90（N） （2）手腕轉動件和工件的偏重轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，考慮動件重心與轉動軸線重合，故，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線，故： =100=50（N） （3） 轉動氣缸轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù)k=0.2,故： =0.2（N） （N） 則有： =90+50+18+54=212（N） 因為 故回轉氣缸滿足設計要求。 6 氣動系統(tǒng)設計 6.1 氣動系統(tǒng)的設計要求及選擇 本次設計的工業(yè)機械手屬坐標式機械手。具有手臂伸縮，回轉，升降，手腕回轉四個自由度。因此，相應地有手腕回轉機構、手臂伸縮機構，手臂回轉機構，手臂升降機構等構成。 設計要求： (1)滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現(xiàn)； (2)機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調； (3)控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，氣壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求。 本次設計采用氣壓傳動的控制方式,相比其他傳動控制方式,氣壓傳動有以下優(yōu)點: (1)工作介質是空氣，它來源方便，取之不盡用之不竭，使用后直接排入大氣而無污染，不需要專門的回收裝置； (2)空氣粘度很小，所以流動時壓力損失較小，節(jié)能，高效，適用于集中供氣和遠距離輸送； (3)動作迅速，反應快，調節(jié)方便，維護簡單； (4)工作環(huán)境適應性好； (5)成本低，具有過載保護功能。 6.2氣壓回路的選擇 6.2.1 各氣壓缸的換向回路 為便于機械手的自動控制，采用可編程控制器進行控制，前分析可得系統(tǒng)的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。氣壓機械手采用單泵供氣，手臂伸縮，手腕回轉，夾持動作采用并聯(lián)供氣，這樣可有效降低系統(tǒng)的供氣壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥采用中位“O”型換向閥。 6.2.2 調速方案 整個氣壓系統(tǒng)只用單泵工作，各氣壓缸所需的流量相差較大，各氣壓缸都用氣壓泵的全流量是無法滿足設計要求的。盡管有的氣壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證氣壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進氣路或回氣路節(jié)流調速，選用節(jié)流閥調速。 單泵供氣系統(tǒng)以所有氣壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡單，所需元件較少，經(jīng)濟性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。 6.2.3 緩沖回路 伸縮臂處設置緩沖回路，使用節(jié)流減速緩沖。 6.2.4 系統(tǒng)安全可靠性 手臂升降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設置平衡回路。 6.3氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 6.3.1工作原理圖 圖4所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（1Mpa）通過快換接頭進入出氣罐，經(jīng)分水過濾器、油霧器、進入各并聯(lián)氣路上的電池閥，以控制氣缸和手部動作。 具體工作原理如下：當工件A進入機械手范圍內時，電磁閥1AY開啟，手臂伸長，夾緊缸左邊閥9AY開啟經(jīng)排氣口排空，將工件夾好；另一路7AY通電，手臂回轉，1AY斷電，2AY通電，手臂縮回；機身下降3AY通電，之后旋轉到達目的機身回轉5AY通電，10AY通電，夾緊缸伸出工件掉落?；芈窌r，5AY斷電，6AY通電，回轉到一定角度后，3AY斷電，4AY通電，機身上升；當達到高度時，重復。 圖4氣壓系統(tǒng)原理圖 Schematic diagram of 4 pressure system 7 結論 本次畢業(yè)設計，花費了較多的心思設計的氣動機械手能很好的完成搬運和裝卸運動。通過機身的收縮實現(xiàn)上下運動，通過臂架的收縮實現(xiàn)左右運動，通過回轉氣缸實現(xiàn)旋轉運動。能方便的完成輕型工業(yè)化的自動生產(chǎn)，對提高工作效率有較好的幫助。同時也降低了成本，減少人為的出錯率等。 在做畢業(yè)設計的同時也讓我對以前所學的專業(yè)知識更加的熟悉，使的我先前所學的理論知識得以在實踐中得到應用，讓我更好的了解了本專業(yè)的特色對即將進入工作崗位有了更多的信心和自信。 參考文獻 [1] 劉延俊主編.液壓與氣壓傳動（第二版）[M].機械工業(yè)出版社.2006.201~253 [2] 丁樹模主編.液壓傳動[M].北京.機械工業(yè)出版社.2003.25~50 [3] 濮良貴,紀名剛主編.機械設計（第七版）[M].北京.高等教育出版社.2001.78~353 [4] 孫恒,陳作模主編.機械原理[M].高等教育出版社.2000.50~102 [5] 索羅門采夫. 工業(yè)機器人圖冊[M].北京機械工業(yè)出版社.1993.35~100 [6] 張建民.工業(yè)機械人[M].北京.北京理工大學出版社.1992.90~110 [7] 楊春杰,胡海波.新型多關節(jié)式機械手臂的機構設計[J],黃石高等專科學校學報,2001(1) [8] 工業(yè)機械手圖冊編寫組.工業(yè)機械手圖冊[M].機械工業(yè)出版社.1987.78~90 [9] 成大先主編.機械設計手冊氣壓傳動[M].化學工業(yè)出版社.2004.100~120 [10] 張燕，曾光宇.光電式傳感器的應用與發(fā)展[N].中國：科技情報開發(fā)與經(jīng)濟報,2006年13期 [11] 李超，氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā)[J].陜西科技大學.2003 [12] 王雄耀.近代氣動機械人（機械手）的發(fā)展及應用[J].液壓氣動與密封.1999.5 [13] 孫開元,李長娜主編.機械制圖新標準解讀及畫法示例[M].化學工業(yè)出版社.2006.80~110 [14] 郭克希，王建國主編.機械制圖第二版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.07 [15] 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Dynamic System Identification,Experiment Design and Data Analysis[R]. USA:Academis Press,1997 [20] Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation Research[R]. USA:Prentice Hall Inc.,1977 致 謝 本設計是在陳文凱老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。 回首這幾個月來的設計過程，可以說是付出了不少心力，但更多的是收獲和更好的提升自己的能力。它檢驗了我大學四年對各學科知識掌握程度，通過老師們和同學們的幫助今天我的設計終于做完了。雖然在畢業(yè)設計中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領會了各項知識。面對問題仔細分析，查閱各方文件資料，也得到老師和同學的幫助。 在這里我要特別感謝陳文凱老師，在這次設計中陳老師不厭其煩地指出我設計中需要改正的地方，指引我完善好方案，在百忙之際給了我們最大的關懷和耐心的指導，使得設計工作得以順利完成。同時也要感謝和我一起進行畢業(yè)設計的同學，是你們的鼓勵和支持，使設計中的困難得以解決。 23