真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說(shuō)明書】
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一 緒論
（一）氣壓傳動(dòng)技術(shù)的研究發(fā)展動(dòng)向
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前氣壓技術(shù)正向著高壓、高速、大功率、高效、高度集成化的方向發(fā)展。雖然氣壓傳動(dòng)技術(shù)方便簡(jiǎn)潔，但是氣壓傳動(dòng)中存在著一些亟待解決的問題，如：氣壓系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性、工作介質(zhì)的泄漏、氣壓沖擊對(duì)設(shè)備可靠性的影響等等，這些問題都是氣壓傳動(dòng)技術(shù)需要研究和解決的。任何技術(shù)的改革和創(chuàng)新，都必須以穩(wěn)定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實(shí)際意義。
（二）氣壓傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用
機(jī)械制造業(yè)，其中包括機(jī)械加工生產(chǎn)線上工件的裝夾及搬送，鑄造生產(chǎn)線上的造型、搗固、合箱等。在汽車制造中，汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線、車體部件自動(dòng)搬運(yùn)與固定、自動(dòng)焊接等。
電子IC及電器行業(yè)，如用于硅片的搬運(yùn)，元器件的插裝與錫焊，家用電器的組裝等。
石油、化工業(yè) 用管道輸送介質(zhì)的自動(dòng)化流程絕大多數(shù)采用氣動(dòng)控制，如石油提煉加工、氣體加工、化肥生產(chǎn)等。
輕工食品包裝業(yè)，其中包括各種半自動(dòng)或全自動(dòng)包裝生產(chǎn)線，例如：酒類、油類、煤氣罐裝，各種食品的包裝等。
機(jī)器人，例如裝配機(jī)器人，噴漆機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人以及爬墻、焊接機(jī)器人等。
其它，如車輛剎車裝置，車門開閉裝置，顆粒物質(zhì)的篩選，魚雷導(dǎo)彈自動(dòng)控制裝置等。目前各種氣動(dòng)工具的廣泛使用，也是氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)組成部分。
（三）氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)
氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) ：以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動(dòng)相比不必設(shè)置回收的油箱和管道；因空氣的粘度很小（約為液壓油動(dòng)力粘度的萬(wàn)分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣嚴(yán)重污染環(huán)境；與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題；工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制優(yōu)越；成本低，過(guò)載能自動(dòng)保護(hù)。
氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)：由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩(wěn)定性稍差，但采用氣液聯(lián)動(dòng)裝置會(huì)得到較滿意的效果；因工作壓力低（一般為0.31.0MPa），又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過(guò)大，總輸出力不宜大于10～40kN；噪聲較大，在高速排氣時(shí)要加消聲器；氣動(dòng)裝置中的氣信號(hào)傳遞速度在聲速以內(nèi)比電子及光速慢，因此，氣動(dòng)控制系統(tǒng)不宜用于元件級(jí)數(shù)過(guò)多的復(fù)雜回路。
（四）機(jī)械手的組成
工業(yè)的機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
（1） 手部
即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、楔塊杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
（2）腕部
是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)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(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
（3）臂部
手臂部件是機(jī)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(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。
（4）行走機(jī)構(gòu)
有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用氣壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、可獲得較大的輸出功率、氣體不可壓縮，壓力、流量易于控制，反應(yīng)靈敏、控位精確等優(yōu)秀特點(diǎn)。
3 控制系統(tǒng)分類
在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
（五）本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)課題名稱為真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運(yùn)動(dòng)形式，氣壓傳動(dòng)，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進(jìn)，動(dòng)作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟(jì)，滿足生產(chǎn)要求。
性能特點(diǎn)：機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)（工件平放）：真空吸盤吸取工件-大臂上升-大臂回轉(zhuǎn)-手臂延伸-真空吸盤放下工件-手臂收縮-大臂反轉(zhuǎn)-大臂下降。
主要技術(shù)參數(shù)：吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運(yùn)動(dòng)形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮行程范圍0-300mm，手臂升降行程范圍0-200mm；手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0-180o；定位方式為定位塊；控制方式為點(diǎn)位式、PLC控制；驅(qū)動(dòng)方式為氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
（六）設(shè)計(jì)的基本思路、方案
分析、理解設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求→查閱相關(guān)資料→初步擬訂設(shè)計(jì)方案→設(shè)計(jì)方案對(duì)比并確定最佳方案→參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算→裝配圖草圖→零件設(shè)計(jì)→零件草圖→繪制裝配圖→繪制零件圖→編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
（七）設(shè)計(jì)原則
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。
二 真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
（一）真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)
設(shè)計(jì)一套真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運(yùn)動(dòng)形式，氣壓傳動(dòng)，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進(jìn)，動(dòng)作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟(jì)，滿足生產(chǎn)要求，主要技術(shù)參數(shù)見表2.1：
表2.1 主要技術(shù)參數(shù)
吸盤吸持力
2kg
運(yùn)動(dòng)形式
圓柱坐標(biāo)
手臂伸縮行程范圍
0-300mm
手臂升降行程范圍
0-200mm
手臂回轉(zhuǎn)行程范圍
0-180°
定位方式
定位塊
控制方式
點(diǎn)位式、PLC控制
驅(qū)動(dòng)方式
氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)
自由度數(shù)
3
（二）真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手工作原理分析
真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手功能原理如圖2.1所示
圖2.1 功能原理圖
真空吸盤工作原理：真空的產(chǎn)生可以是由電動(dòng)機(jī)、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng)來(lái)提供，也可以由壓縮空氣通過(guò)真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來(lái)提供。前者需要配置獨(dú)立的真空系統(tǒng)，而后者可以利用一般生產(chǎn)過(guò)程中已有的空氣壓縮系統(tǒng)。因此，特別在各種包裝作業(yè)過(guò)程中，利用二次真空方法顯得十分方便、經(jīng)濟(jì)。
真空發(fā)生器的原理是：壓縮空氣通過(guò)收縮的噴嘴后，從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動(dòng)，從而在接受室形成負(fù)壓，誘導(dǎo)二次真空。這樣的真空系統(tǒng)，尤其對(duì)于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。用真空吸盤來(lái)抓取物體，可以根據(jù)物體的不同形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)任意角度的傳遞。以下將從兩種特殊位置，即水平和垂直兩個(gè)方向，對(duì)真空吸盤的受力進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。
（三）真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手工藝方案
設(shè)計(jì)一套真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運(yùn)動(dòng)形式，氣壓傳動(dòng)，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進(jìn)，動(dòng)作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟(jì)，滿足生產(chǎn)要求。
主要技術(shù)參數(shù)：吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運(yùn)動(dòng)形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮行程范圍0-300mm，手臂升降行程范圍0-200mm；手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0-180o；定位方式為定位塊；控制方式為點(diǎn)位式、PLC控制；驅(qū)動(dòng)方式為氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)（工件平放）：真空吸盤吸取工件-大臂上升-大臂回轉(zhuǎn)-手臂延伸-真空吸盤放下工件-手臂收縮-大臂反轉(zhuǎn)-大臂下降。
（四）真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)
（1） 對(duì)于真空吸盤式氣動(dòng)的機(jī)械手，其工件的運(yùn)動(dòng)只需較少的自由度就能完成。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，故采取氣壓傳動(dòng)方式。
（2） 本機(jī)械手是專用自動(dòng)機(jī)械手，選擇智能控制方式中的PLC程序控制方式，這樣可以使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。
（3） 本機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機(jī)構(gòu)。手部機(jī)構(gòu)形式多樣，但綜合其總體構(gòu)型，可分為：氣吸式、電磁式和鉗爪式3種。根據(jù)本組合機(jī)床加工工件的特征，選擇氣吸式（真空吸盤式）手部結(jié)構(gòu)。
（4）常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: 直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手、多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，且根據(jù)本機(jī)械手坐標(biāo)形式分析分析本機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，采用圓柱坐標(biāo)形式。因此方案確定機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式，PLC控制，真空吸盤式手部結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)形式。
三 真空元件的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算
（一）真空吸盤吸持工件的動(dòng)力學(xué)分析
在產(chǎn)品包裝、物體傳輸和機(jī)械裝配等自動(dòng)作業(yè)線上 ,使用真空吸盤來(lái)抓取物體的案例越來(lái)越多。柔而有彈性的吸盤可以很方便地實(shí)現(xiàn)諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運(yùn)功能 ,并確保不損壞其作用之對(duì)象。而吸持力靠真空系統(tǒng)維持 ,真空的產(chǎn)生可以是由電動(dòng)機(jī)、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng)來(lái)提供，也可以由壓縮空氣通過(guò)真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來(lái)提供。前者需要配置獨(dú)力的真空系統(tǒng) ,而后者可以利用一般生產(chǎn)過(guò)程中已有的空氣壓縮系統(tǒng)。因此 ,特別在各種包裝作業(yè)過(guò)程中,利用二次真空方法顯得十分方便、經(jīng)濟(jì)。真空發(fā)生器的原理是 壓空氣通過(guò)收縮的噴騰后 ,從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動(dòng) ,從而在接受室形成負(fù)壓 ,誘導(dǎo)二次真空。這樣的真空系統(tǒng),尤其對(duì)于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì) ,可以根據(jù)需的真空度設(shè)計(jì)出所需的真空發(fā)生器。用真空吸盤來(lái)抓取物體 ,可以根據(jù)物體的不同形狀實(shí)現(xiàn)任意角度的傳遞。
在此次設(shè)計(jì)中，工件平放；故從水平方向?qū)φ婵瘴P的受力分析進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。如圖3.1所示為真空吸盤用于水平位置工作時(shí)的安裝方位。在圖3.1吸盤水平安裝時(shí) ,除了要吸持住工件負(fù)載外 ,還應(yīng)該考慮吸盤移動(dòng)時(shí)因工件的慣性力對(duì)吸力的影響。
圖3.1 真空吸盤的安裝位置
（二）真空吸盤的選取
為了確保真空吸盤能完成給定的任務(wù),需考慮一定的安全系數(shù),根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),真空吸盤的安全系數(shù)N一般取2.5，因此,許用提升重量= 理論提升重量/N=垂直提升力/N
表3.1 吸盤直徑、面積、垂直提升力參數(shù)表
吸盤垂直提升力（N）
吸盤直徑D(mm)
10
13
16
20
25
32
40
50
吸持面積（cm2）
0.785
1.33
2.01
3.14
4.91
8.04
12.6
19.6
吸盤垂直提升力（N）（-0.04MPa）
3.14
5.32
8.04
12.56
19.64
32.16
50.4
78.4
由上表可知，當(dāng)工件重量為2kg時(shí)，許用提升重量為19.6N，欲使安全系數(shù)達(dá)到要求，只需滿足
（3.1）
即可，由表3.1選取吸盤直徑為40mm即可滿足
考慮到吸附物的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應(yīng)設(shè)定為大于所需吸盤直徑（D）因吸盤在吸附時(shí)會(huì)變形，吸盤的外徑將增加10%左右。
因?yàn)檎婵諌毫?huì)使吸盤變形，所以吸附面積要比吸盤直徑小。變形度根據(jù)吸盤的材質(zhì)，形狀，橡膠的硬度而有區(qū)別，因此，在計(jì)算得出吸盤直徑時(shí)需留出余量。安全系數(shù)中包括變形部分。
吸盤直徑雖表示吸盤的外徑，但利用真空壓力吸附物體時(shí)，因真空壓會(huì)使橡膠變形，吸附面積也會(huì)隨之縮小。縮小后的面積即稱為有效吸附面積，此時(shí)的吸盤直徑即稱為有效吸盤直徑。
根據(jù)真空壓力，吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數(shù)等不同，有效吸盤直徑也會(huì)有差異，一般情況可預(yù)估會(huì)縮小10%。
綜合上述，所選吸盤參數(shù)為：吸盤直徑D=40mm， 吸盤吸持面積A=12.6，吸盤個(gè)數(shù)n=1，真空壓力P=0.04MPa。
（三）真空發(fā)生器設(shè)計(jì)
真空發(fā)生器用于產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無(wú)可動(dòng)機(jī)械部件，安裝和使用都很方便，因此應(yīng)用很廣泛，真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空度可達(dá)到88kpa，真空發(fā)生器的工作原理如圖3.2所示。它是由先收縮后擴(kuò)張的拉瓦爾噴管1、負(fù)壓腔2、和接收管3等組成，有供氣口、排氣口和真空口，當(dāng)供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出的超聲速射流。由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很低的真空度，在真空口A處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。
圖3.2 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖
真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)可動(dòng)機(jī)械部件，故使用壽命長(zhǎng)。
真空發(fā)生器的耗氣量是指供給拉伐爾噴管的流量，它不但由噴嘴的直徑?jīng)Q定，還與供氣壓力有關(guān)。同意噴嘴直徑，其耗氣量隨供氣壓力的增加而增加，如圖3.3所示。噴嘴直徑是選擇真空發(fā)生器的主要依據(jù)。噴起直徑越大，抽吸流量和耗氣量就越大，真空度越低；噴嘴直徑越小，抽吸流量和耗氣量越小，真空度越高。
圖3.3 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系
圖3.4所示為真空度特性曲線。由圖可知，真空度存在最大值Pzmax，當(dāng)超過(guò)最大值后，即使增加供氣壓力，真空度不但沒有增加反而下降。實(shí)際使用時(shí)，建議真空度選為（63%-95%）Pzmax。
圖3.4 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系
在真空吸盤的選取時(shí)，已確定真空壓力為0.04Mpa，由圖3.3、3.4可得，該真空發(fā)生器耗氣量和真空度分別取5L/min，-0.002Mpa。
（四）其他元器件的選用
一個(gè)完整的真空吸附系統(tǒng)還包括真空過(guò)濾器 、 供給閥 、 破壞閥等 ， 真空過(guò)濾器的選擇ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空發(fā)生器的最大流量 24L/min， 滿足需求， 真空節(jié)流閥選擇KLA系列單向節(jié)流KLA-L6，公稱通徑是6mm，有效截流面大于5mm2,泄露量小于50cm3/min,單向閥開啟壓力為0.05Mpa。
供給閥設(shè)置在壓力管路中，選擇一般的換向閥AB31、AB41系列多流體二位二通直動(dòng)截止電磁換向閥，型號(hào)：AB310-1-6，公稱通徑5mm，AB接管螺紋ZG1/8，有效截面面積15.3mm2,有效截面面積大于真空發(fā)生器噴嘴兒面積的4倍，供氣口得連接管內(nèi)徑大于噴嘴直徑的4倍，減少供給回路的壓力損失。
真空換向閥設(shè)置在真空回路中，必須選擇能用在真空條件下的換向閥，真空換向閥要求不泄露，故選擇用截止式和導(dǎo)膜片式結(jié)構(gòu)比較理想，選擇09270、09550系列多種流體二位二通先導(dǎo)膜片式電磁閥，型號(hào)：0927000，接管螺紋1/4in,通徑8mm,換向頻率大于0.5HZ。
四 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（一）機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)的概述
應(yīng)用PLC作為電氣控制，可以簡(jiǎn)化控制線路，降低故障率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種動(dòng)作線路。一般機(jī)械手有手動(dòng)和自動(dòng)控制之分，手動(dòng)控制主要用來(lái)硬件調(diào)試。自動(dòng)控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按鈕回到原位，如果是，則檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期指執(zhí)行一次動(dòng)作循環(huán)，最后回到初始位置；周期循環(huán)是機(jī)械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動(dòng)作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。
根據(jù)機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)，PLC輸入信號(hào)有：工作狀態(tài)選擇開關(guān)輸入、啟動(dòng)停止按鈕輸入、磁性接近開關(guān)信號(hào)輸入、手動(dòng)開關(guān)輸入及程序選擇開關(guān)輸入共22個(gè)輸入點(diǎn)；機(jī)械手的輸出信號(hào)有：驅(qū)動(dòng)4個(gè)氣缸的電磁閥線圈4個(gè)，控制真空吸盤的電磁閥線圈2個(gè)，原點(diǎn)指示燈1個(gè)，共七個(gè)輸出點(diǎn)。選擇輸入點(diǎn)大于22點(diǎn)，輸出大于7點(diǎn)的PLC。
機(jī)械手的定位系統(tǒng)采取定位塊定位，在設(shè)定位置裝置定位塊。并為了達(dá)到緩沖的目的，在滿足工作要求的前提下，設(shè)計(jì)盡量輕的零部件。比如將某些鑄鋼件改用鋁合金制造，或者將一些實(shí)心的零件做成空心的，以此來(lái)減輕總質(zhì)量。采取PLC程序控制，控制系統(tǒng)選擇三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外機(jī)械手還可進(jìn)行回零等，其有手動(dòng)控制方式和全自動(dòng)控制。
自動(dòng)生產(chǎn)線機(jī)械手的主要參數(shù):吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運(yùn)動(dòng)形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮最大行程300mm；手臂升降最大行程為200mm；手臂回轉(zhuǎn)最大行程180度，手臂升降速度為150mm/s；大臂回轉(zhuǎn)角度范圍0-90°，大臂回轉(zhuǎn)速度為135°/s；定位方式為定位塊；定位精度為；控制方式為點(diǎn)位式、PLC控制；驅(qū)動(dòng)方式為氣壓系統(tǒng)。
（二）機(jī)械手電氣控制程序
表4.1機(jī)械手自動(dòng)控制程序
步序號(hào)
指令
數(shù)據(jù)
步序號(hào)
指令
數(shù)據(jù)
步序號(hào)
指令
數(shù)據(jù)
1
LD
X400
17
AND
T453
K1.5
2
ANI
X401
18
ANI
T454
31
OUT
Y439
3
ANI
T450
19
OUT
Y435
32
OUT
T550
4
OUT
Y430
20
OUT
T454
K2
5
OUT
T450
K1.5
33
AND
T550
K2
21
AND
T454
34
ANI
T551
6
AND
T450
22
ANI
T455
35
OUT
Y530
7
ANI
T451
23
OUT
Y436
36
OUT
T551
8
OUT
Y432
24
OUT
T455
K1.5
9
OUT
T451
K2
37
AND
X500
K0.5
25
AND
T455
38
ANI
T552
10
AND
T451
26
ANI
T456
39
OUT
Y531
11
ANI
T452
27
OUT
Y437
40
OUT
Y532
13
OUT
Y433
28
OUT
T456
41
OUT
T552
14
OUT
T452
K0.5
K3
K1.5
27
AND
T456
15
OUT
Y434
28
ANI
T457
16
OUT
T453
29
OUT
Y438
K2
30
OUT
T457
（三）機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)圖
1自動(dòng)控制系統(tǒng)圖
圖4.1 機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)圖
上圖為機(jī)械手自控控制系統(tǒng)圖，他的指令采用FX1S的專用PLC控制器控制，他的工作順序是按照上圖中大臂下降開始直至最后一次大臂回轉(zhuǎn)為完成一個(gè)完整的工作周期，每個(gè)工作段所用的時(shí)間在上圖均已標(biāo)明，從系統(tǒng)啟動(dòng)到結(jié)束程序，除非系統(tǒng)受到X500停車指令，否則系統(tǒng)均通過(guò)各個(gè)時(shí)間控制器來(lái)完成精確的控制。
2 手動(dòng)控制系統(tǒng)圖
圖4.2 機(jī)械手手動(dòng)控制系統(tǒng)圖
上圖為本機(jī)械手在進(jìn)行試運(yùn)行和系統(tǒng)檢查以及手動(dòng)控制完成所需動(dòng)作而設(shè)計(jì)的手動(dòng)控制系統(tǒng)，工作流程在上圖已經(jīng)清晰標(biāo)明。
3 機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖
機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖如圖4.3所示，其中S2是自動(dòng)方式的初始狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始輔助繼電器M8041，原點(diǎn)位置條件輔助繼電器M8044的狀態(tài)都是在初始化程序中設(shè)定的，在自動(dòng)系統(tǒng)程序運(yùn)行中不再改變。
圖4.3 機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖
4 機(jī)械手獨(dú)立控制面板設(shè)計(jì)圖
機(jī)械手控制獨(dú)立控制面板如圖4.4所示
圖4.4 機(jī)械手控制面板
面板中的啟動(dòng)和急停按鈕與PLC的運(yùn)行程序無(wú)關(guān)，這兩個(gè)按鈕是用來(lái)接通或斷開PLC外部負(fù)載的電源。本機(jī)械手由手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)的控制系統(tǒng)，所以應(yīng)能根據(jù)所設(shè)置的運(yùn)行方式自動(dòng)進(jìn)入，這就要求系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)設(shè)定與各個(gè)運(yùn)行方式相應(yīng)的初始狀態(tài)，其相應(yīng)的輸入設(shè)定按鈕在圖4.4已經(jīng)標(biāo)定。
五 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（一）機(jī)械手的工作原理分析
真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手是自動(dòng)化流水生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的工件搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備，它是流水線作業(yè)中不可或缺的運(yùn)輸單元。氣動(dòng)機(jī)械手要求氣壓系統(tǒng)完成的主要?jiǎng)幼魇牵üぜ椒牛何止ぜ?--大臂上升200mm---大臂回轉(zhuǎn)180°---手臂延伸300mm---放下工件---手臂收縮300mm---大臂反轉(zhuǎn)180°---大臂下降200mm。整個(gè)周期要完成所有動(dòng)作必須由3個(gè)氣壓缸協(xié)調(diào)動(dòng)作才能做到?。
（二）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖
圖5.1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖
圖5.1 機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖
1-氣源 2-空氣過(guò)濾器 5-單向閥 6、9-兩位二通閥 7-先導(dǎo)型閥 8-三位四通電磁閥 10-節(jié)流閥 11-調(diào)速閥其余元件已在上圖說(shuō)明。
（三）各缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析
1、吸持工件 在整機(jī)啟動(dòng)的情況下，氣體流經(jīng)單向閥，然后PLC控制程序指令控制電磁鐵3DT通電吸合，此時(shí)此二位四通電磁閥處于右位，氣體直接流進(jìn)右腔，從而拉動(dòng)滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)吸持工件。
2、大臂上升 PLC指令控制電磁鐵4DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第二個(gè)三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，接著流向減壓閥和單向閥構(gòu)成的復(fù)合閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的下腔，從而推動(dòng)機(jī)械手做上升運(yùn)動(dòng)。
3、大臂回轉(zhuǎn) PLC指令控制電磁鐵6DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第一個(gè)三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂回轉(zhuǎn)氣壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手大臂做左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
4、手臂延伸 PLC指令控制電磁鐵1DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖4.1所示從左到右第三個(gè)三位四通電磁閥右位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)。
5、放松工件 氣體流經(jīng)單向閥，然后PLC控制程序指令控制電磁鐵3DT斷電跳開，此時(shí)此二位四通電磁閥處于左位，氣體直接流左腔，從而放松工件。
6、手臂收縮 PLC指令控制電磁鐵2DT通電吸合氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第三個(gè)三位四通電磁閥左位，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手手臂做收縮運(yùn)動(dòng)。
7、大臂回轉(zhuǎn) PLC指令控制電磁鐵7DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第一個(gè)三位四通電磁閥左位，接著氣體流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂回轉(zhuǎn)氣壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手大臂做左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
8、大臂下降 PLC指令控制電磁鐵5DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第二個(gè)三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的上腔，從而推動(dòng)機(jī)械手做下降運(yùn)動(dòng)。
至此就完成整個(gè)機(jī)械手的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，如果此時(shí)接到停止的指令，則10DT和11DT同時(shí)通電，電磁鐵將電磁換向閥到上位，此時(shí)氣壓系統(tǒng)卸壓，同時(shí)上面的各個(gè)電磁鐵同時(shí)斷電回到默認(rèn)位置，完成卸荷。電磁鐵動(dòng)作順序表如下：
六 機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、翻轉(zhuǎn)和升降。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。
由于本設(shè)計(jì)需要，手部、腕部無(wú)需設(shè)計(jì)，只需設(shè)計(jì)手臂即可。
（一） 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕：根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；合理布置作用力的位置和方向；注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；提高配合精度。
臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要?。簷C(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000～1500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在180°/s內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在90°/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。
手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活：為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。
總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。
（二）手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇
1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：
（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。
（2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層氣壓缸空心結(jié)構(gòu)。
（3） 雙活塞桿氣壓缸結(jié)構(gòu)。
（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。
2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動(dòng),氣壓缸選取雙作用氣壓缸。
（三）手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。
做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)氣壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定來(lái)確定氣壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。氣壓壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。
（6.1）
摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。下圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮缸兩側(cè)。
由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。
得
得 （6.2）
（6.3）
（6.4） 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）；
L——手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（mm）
a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（mm）;
——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。
對(duì)于圓柱面：
——摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)：
鋼對(duì)青銅：取u=0.1～0.15
鋼對(duì)鑄鐵：取u=0.18～0.3
計(jì)算：
導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，，L=0.8-0.2=0.6m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.1m
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算
手臂慣性力的計(jì)算
本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是,在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度V=V=,
（6.5）
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封，當(dāng)氣壓缸工作壓力小于10Mpa。氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。
經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力：
（四）氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定
經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=1700N，選擇氣壓缸的工作壓力P=0.04MPa
（1） 確定氣壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：
氣壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖6.2所示
圖6.2 雙作用氣壓缸示意圖
當(dāng)氣進(jìn)入無(wú)桿腔，
當(dāng)氣進(jìn)入有桿腔中，
氣壓缸的有效面積：
故 （無(wú)桿腔） (6.6)
（有桿腔） (6.7)
F=1625.7N，=，選擇機(jī)械效率
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：
選擇標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸內(nèi)徑系列及機(jī)械的工作范圍冗余設(shè)計(jì)，選擇D=40mm.
（2） 氣壓缸外徑的設(shè)計(jì)
根據(jù)裝配等因素，考慮到氣壓缸的臂厚在7mm，所以該氣壓缸的外徑為54mm.
（3） 活塞桿的計(jì)算校核
活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：
（6.8）
設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為45剛，故，活塞直徑d=20mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。
結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。
（五）氣壓缸的尺寸參數(shù)的確定
根據(jù)夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算，初步確定了氣壓缸的內(nèi)徑為40mm，行程為500mm；下面要確定氣壓缸的缸筒長(zhǎng)度L。缸筒長(zhǎng)度L由最大工作行程長(zhǎng)度加上各種結(jié)構(gòu)需要來(lái)確定，即：
L=l+B+A+M+C （6.9）
式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長(zhǎng)度，由密封方式定；C為其他長(zhǎng)度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長(zhǎng)度作為緩沖，以免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損傷到缸體，所以C取60mm。一般缸筒的長(zhǎng)度最好不超過(guò)內(nèi)徑的20倍。另外，氣壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸還有最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H。
所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm
氣壓缸缸底厚度計(jì)算，本氣壓缸選用平行缸底，且缸底無(wú)氣孔時(shí)，其中h為缸底厚度；為氣壓缸內(nèi)徑；為實(shí)驗(yàn)壓力；為缸底材料的許用應(yīng)力，氣壓缸選用缸體材料為45號(hào)鋼，。
，
所以選取厚度。
七 齒輪齒條機(jī)構(gòu)
齒輪齒條在傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)有自己所獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):齒輪傳動(dòng)用來(lái)傳遞任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其圓周速度可達(dá)到300m/s，傳遞功率可達(dá)105KW，齒輪直徑可從不到1mm到150m以上，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動(dòng)。
齒輪齒條傳動(dòng)與帶傳動(dòng)相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）傳遞動(dòng)力大、效齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)用來(lái)傳遞任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其圓周速度可達(dá)到300m/s，傳遞功率可達(dá)105KW，齒輪直徑可從不到1mm到150m以上，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動(dòng)。
（2） 壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高；
（3） 能保證恒定的傳動(dòng)比，能傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動(dòng)。
齒輪傳動(dòng)與帶傳動(dòng)相比主要缺點(diǎn)有：
（1）制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高；
（2）不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。
由于齒輪齒條傳動(dòng)，因此傳動(dòng)比為1。機(jī)身重量不大，選取輸入功率為0.8Kw，轉(zhuǎn)速為12r/min。齒輪齒條參數(shù)設(shè)計(jì)如下：
（1）材料選擇 由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-1選擇齒輪材料為Q235，齒齒面硬度為240HBS；齒條材料味Q235，齒條齒面硬度為280HBS，。
1）齒輪齒數(shù)，齒條齒數(shù)
按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
（7.1）
(2) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計(jì)算齒輪的轉(zhuǎn)矩
3)選齒寬系數(shù)
4)由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-30選取區(qū)域系數(shù)
5)由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-26查得，，則
6)由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)
7）由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
（3）計(jì)算
1）試算齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得
2)計(jì)算圓周速度v
3)計(jì)算齒寬b及模數(shù)
4)計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，8級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-3查得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-2查得使用系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-13查得
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-4查得
接觸強(qiáng)度載荷系數(shù)
5）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
6)計(jì)算模數(shù)
7)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式 (7.2)
（4）確定計(jì)算參數(shù)
1)確定載荷系數(shù)
2)根據(jù)重合度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-28查得螺旋角影響系數(shù)
3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表10-5查得齒形系數(shù)
4) 應(yīng)力校正系數(shù)
5） 由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-20C查的齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限為500MPa，齒條的彎曲強(qiáng)度極限為380MPa。
6） 由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》圖10-18取彎曲疲勞強(qiáng)度極限，
取安全疲勞系數(shù)S=1.4
7） 計(jì)算齒輪、齒條的并加以比較
齒輪的數(shù)值大。
（5）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)，去=3.5mm，已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑=69.4mm來(lái)計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由
取=23，則=u=31*23=23.
(6)幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算齒輪的分度圓直徑
（2）計(jì)算齒輪寬度
圓整后取
圖7.1為齒輪結(jié)構(gòu)圖，圖7.2為齒條結(jié)構(gòu)圖，表7.1為齒輪性能參數(shù)。
圖7.1 齒輪結(jié)構(gòu)圖
圖7.2 齒條結(jié)構(gòu)圖
表7.1 齒輪性能參數(shù)表
結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次真空吸盤式氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。
在設(shè)計(jì)中應(yīng)用的是真空吸盤，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械手爪，讓我在對(duì)真空方面的知識(shí)得到加深的同時(shí)，也認(rèn)識(shí)到了其相對(duì)手爪的優(yōu)勢(shì)。真空吸盤，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、外形美觀、吸持力強(qiáng)等特點(diǎn)。在機(jī)械日益發(fā)展的今天，真空吸盤設(shè)備將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
由于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)水平、時(shí)間的局限，設(shè)計(jì)難免有不到之處。
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致謝
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QDJXSZPT-00-00
機(jī)械手裝配圖
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機(jī)械手氣壓系統(tǒng)原理圖
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QDJXS-03-01
機(jī)械手電氣控制原理圖
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4
QDJXS-01-01
真空吸盤
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QDJXS-01-02
齒輪
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齒條
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導(dǎo)向花鍵軸
A4
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8
QDJXS-01-05
手臂氣缸缸體
A1
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