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1、密封垫零件的喂料机械手的设计1 绪论机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工
2、业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.1 机械手的概述机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材
3、料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手
4、也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。图1.1机械手的组成方框图1.2.1 执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。（1）手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移
5、型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成
6、负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.（2）手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸
7、、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时
8、也可作横向移动，即称为可移式立柱。（5）行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。（6）机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。1.2.2 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。1.2.3 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业
9、机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.2.4 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.3 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在
10、此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1.3.1 按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:（1）专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。（2）通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动
11、化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。1.3.2 按驱动方式分（1）液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（2）
12、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。（4）电力传动机械手
13、即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。1.3.3 按控制方式分（1）点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。（2）连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机
14、械手一般采用小型计算机进行控制。1.4 气动技术及气动机械手的发展过程气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于气动技术与
15、电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。 气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。 气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（町实现任意位置上的
16、精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。 90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院YBando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6个脚中的每一个脚都有3个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展/退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。 Tron-X电子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动，并且有良好的柔韧性
17、。在幕后操纵人员的操作下（或通过自身的编程控制）能与人进行对话，或作自我介绍等。Tron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体，它告诉我们，气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。1.5 气动机械手的应用现状 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、
18、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。 现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地
19、吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。 此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci外科手术机器人等。1.6 发展前景及方向1.6.1 重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复
20、精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。1.6.2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动
21、自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。1.6.3 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已
22、经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。1.6.4 机电气一体化由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。 而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PL
23、C，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。2 机械手总体方案的设计2.1 机械手基本形式的确定工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。考虑到本次课题中只需在两个坐标方向上移动，这里我选用第一种的直角坐标型。工件为薄板类非金属零件，采用吸附式机械手。2.2 驱动方式的确定按驱动方式的动力源，机械手可分为：A.液压式B.气动式C.电动式液压式：其驱动系统是由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成。通常它具有很大的抓举能力，其特点是结构紧
24、凑，动作平稳，冲击，耐震动，防爆好，但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。气动式：其驱动系统是由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是电源方便，动作迅速，结构简单，造价较低，维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。电动式：电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常必须采用减速机构。根据本课题的技术要求，我选择驱动方式为气动式的动力源。2.3 机械手传动方案的分析传动方式按工作原理可以分为
25、机械传动、流体传动和电力传动，其中机械传动又分为摩擦传动和齿合传动；流体传动分为液力传动和气力传动；电力传动分为直流电力传动和交流电力传动。2.3.1 机械传动靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、绳传动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。2.3.2 流体传动
26、液压传动是在机械传动的基础上诞生的一种新型的传动方式，它以液体为工作介质，通过动力元件（液压泵）将原动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过管道控制元件，借助执行元件（液压缸或液压马达）将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。其特点以体积小，传动平稳，性能可靠，能轻松实现很多机械传动不能完成的动作，是现代工业自动化控制系统的最佳选择。尤其在锻压行业有着不可替代的作用。缺点是普遍存在泄露，但只要设计合理，加上高质量的密封装置，这些问题就都会迎刃而解。气压传动的优点：(1）以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道
27、。(2）因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。(3) 与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。(4）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。(5）成本低，过载能自动保护。气压传动的缺点：(1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。(2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1040kN。(3）噪声较大，
28、在高速排气时要加消声器。(4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。2.3.3 电力传动电气传动系统由电动机，控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要特点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转，在无变速机构的情况下调速范围可达1：10000；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。2.4 总体方案的确定方案一：工作原理简介：该方案采用两个气缸的运动来完成整套的上下料过程，竖直方向上的气缸负责物料的抓取、上升和下降，水平方向上的气缸负责物料的水平500mm的运
29、动行程。优点：方案简单明了，传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁。缺点：水平方向上的气缸行程达500mm，气缸太长，加工困难，生产代价高方案二：工作原理简介：在竖直方向上的气缸，其工作任务与方案一一致，也是负责物料的抓取、提升和下降，但该方案在水平方向上采用了丝杆的运动原理来完成气水平行程，丝杆右端是一套减速装置，从动力源发动机的转动，通过带传动进行一级减速，再经过齿轮进行二、三级减速，同时丝杠和竖直方向上的气缸又是再一级的减速，这样通过四级减速，可以让物料在水平行程上以较缓慢的速度移动。优点：此方案合理的运用了丝杠拿的传动原理以及带传动和齿轮传动的减速，其中带传动中心距变化范围大，可
30、用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要求不高。齿轮传动外廓尺寸小，效率高，传动比恒定，圆周速度及功率范围广。缺点：系统较为复杂，且齿轮长期暴露在外部，寿命会降低，对于带传动来说，有滑动，传动比不能保持恒定，外廓尺寸大，带的寿命较短（通常为3500h5000h），由于带的摩擦起电不宜用于易燃、易爆的地方，轴和轴承上作用力大。而且齿轮传动制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，有噪音。方案三：工作原理简介：此方案在总结了以上两个方案后，设计出的新方案，竖直方向上的上升和下降没有变化，在水平方向上，采用了双行程气缸，此类气缸内部有两根活塞
31、杆，可以达到双行程的效果，这样既满足了气缸的生产简单，又满足水平500mm的行程要求。对于以上三种方案的分析，并结合导师的指点，本课题的设计选用第三种方案，即机械手的上升下降和水平左右移动全部通过气动控制的气压缸来实现。2.5 机械手工作过程分析根据设计要求，机械手每次自动抓取密封垫一件，运送并自动释放到自动生产线上，完成一次物料输送。为了能顺利完成这次物料输送，我把该机械手的运动过程分析如下：喂料机械手开始工作时,首先打开真空泵：(1) 吸盘支架带动两排吸盘快速下降,可调光电开关检测到密封垫零件后,慢速下降至1020mm ,吸盘触及密封垫零件,同时吸盘支架触碰限位开关; (2) 两位三通电磁
32、阀开始动作,使吸盘接入真空,时间约12s ,当真空开关检测到真空值为6080 kPa (吸盘样本参数) 时,确认板料已被吸牢;(3) 快速提升,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个限位开关(此时约提升150 mm) ,到位停止; (4) 水平移动,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个限位开关,到位(共走500mm行程) 停止; (5) 快速下降,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个限位开关,到位(约下降150 mm) 停止;(6) 电磁换向阀换向,放大气,吸盘从板料上脱开,落在流水线上；(7) 吸盘支架带动吸盘快速上升,慢速到位(上升150mm的行程) ;(
33、8) 水平移动，返程500mm停止。至此,一次自动上下料动作完成。3 机械手的设计与计算3.1 吸盘结构的设计与计算考虑到抓取的对象为密封垫零件（非金属材料），其外形尺寸为：长749mm，宽192mm，厚1.2mm。为此，我选用吸盘来抓取该类零件。真空吸盘的基本原理：盘压到被吸物后，吸盘内的空气被真空发生器或者真空泵从吸盘上的管路中抽走，使吸盘内形成真空。而吸盘外的大气压力把吸盘死死的压在被吸物上使之几乎形成一个整体，可以共同运动。3.1.1 密封垫零件重量的计算由课题所给密封垫零件尺寸数据：L=749mm S=192mm H=1.2mm 查阅非金属材料密度表，并结合工程机械上常用的非金属材料
34、的密封垫零件，取=2.0 g/cm3（泡沫塑料的是0.2g/cm3,工业橡胶是1.8g/cm3，在2.0以上的是玻璃类和火砖石头类，不予考虑），取g=9.8N/kg。则密封垫零件的重量：G=LSHg3.38N3.1.2 吸盘个数的计算及型号的确定吸盘的理论吸力F=根据吸盘安装位置和带动负载运动状态（方向和快慢，直线运动和回转运动）的不同，吸盘的实际吸力应考虑一个安全系数n，即实际吸力F为F=F/n 。当水平安装提升物体时，n4；在垂直安装提升物体时n8 。取四个吸盘，则每个吸盘所受的吸力F=G/4=3.38/4 =0.845N又因为是水平提升，则取安全系数n4实际所要受到的吸力F4F=0.84
35、54=3.38N真空发生器的真空度P=84KPa则由吸盘的理论吸力F=可以得到3.38 /4 841000即D7.12mm，也就说要求吸盘吸持工件被抽空的有效直径至少为7.12mm 。图3.1 波形吸盘的规格图3.2 波形吸盘的外形尺寸对照以上图3.1和图3.2的吸盘规格和外形尺寸后，我选择吸盘直径为20mm，其有效直径为14.3mm，重量为6.7g,大于理论上所求的的7.12mm，完全符合条件要求。考虑到密封垫零件比较大，为了稳定我选取4个吸盘同时作用。一个吸盘的重量G=mg=6.7x9.8x0.001=0.066N3.2 吸盘支架结构的设计与计算选择支架材料为铁素体不锈钢，则查表可知其弹性
36、模量E200GPa又该类不锈钢的密度=7.75g/cm3由下图3.3所示：图3.3 吸盘定位支架取该支架的总长为242mm，宽为150mm，厚度为2mm，两边较小的槽宽为7mm，长为200mm；为了减轻支架的重量在中间挖了一个较大的槽，宽为35.73mm,长为200mm。由挠度公式：（3L-a）这里F=每个吸盘所受吸力+每个三通接口的重量=0.845+50.1x9.8x0.001=1.336N把支架看成两段一段固定另一段受力的梁，则：L=121mm（支架的一半长度） a=100（槽的端部到支架中心的距离）（3L-a）=-1.336x0.11x0.11x(3x0.121-0.1)/6x200x1
37、09x(0.0023x0.02/12) -0.00025即-0.000250，所以该支架的数据满足整个要求。支架的体积为V=(242x150-7x200x2-35.73x200)x2=52.708cm3支架的重量G=vg=7.75x52.708x9.8x0.001=4.003N该支架中间的导向槽能够很好让吸盘进行移动，因为对于密封垫来说，有些密封垫零件的表面是有好多的通孔结构或者其他的孔状结构，如果吸盘直接吸附上去，吸盘边缘刚好压在孔状结构或者通孔上，这样必然吸附不上来或者吸附不紧，所以通过在导向槽的移动，可以很好的让吸盘避免吸附在孔状结构或者通孔上，使密封垫零件能完好的吸附起。3.3 吸盘连
38、接结构的设计与计算系列管接头，是一种新型的组合式气动管接头。最大工作压力为。这种管接头是由各种不同的接头、接头体和一个终端管座组合而成。通过这三部分的组合，可以把同一个管接头组合成具有不同联接方式和不同公称通径的组合式管接头。组合式管接头能同时适用几种不同公称通径和不同材质的气管，具有通用性强，多功能、拆装方便等特点。参照以上组合式气动管接头的结构特点，我设计出一下结构简单又能满足工作条件的等径三通接口的组合式气动管接头：图3.4 等径三通接口的组合式气动管接头剖视图图3.5 等径三通接口的组合式气动管接头基本尺寸由上图3.5可知，100个M10的三通接口的重量5.01Kg，则每一个M6的三通
39、接口重量可能小于50.1g，考虑理论去实际的误差及安全稳定性，这里我取M6的三通接口的重量为50.1g。一个三通接口的重量G=mg=50.1x9.8x0.001=0.491N3.4 吸盘定位结构的设计与计算图3.6 六角双头螺栓由图3.6所示，该结构为两端都是为螺纹连接的六角双头螺栓，综合分析选取螺纹为M6，P=1.0，L=15，F=8，H=3，B=10，g=1.5的六角双头螺栓。右边的M6外螺纹是与M6的螺母接合固定于支架上的导向槽上，左边的M6外螺纹与三通接头的一端相接合，这样吸盘的位置就固定了，该六角双头螺栓采用Q235号钢。该零件的重量计算：查阅该类钢材密度表可知=7.8g/cm3，粗
40、略的估计该零件的体积V= 3.14x6x6x8+3.14x10x10x3+3.14x6x6x15=12.585cm3则m=V=7.8x12.585=98.163gG=mg=98.163x9.8x0.001=0.962N3.5 竖直方向气缸的设计与计算气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。3.5.1 气缸的种类气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸 4种。 （1）单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。
41、 （2）双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。 （3）膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。 （4） 冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(1020米秒)运动的动能，借以作功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。作往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴作摆动运动，摆动角小于 280。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。3.5.2 气缸的结构气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密
42、封件组成。 (1）缸筒 缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。SMC CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。 (2）端盖 端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖
43、上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。 (3）活塞 活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。 (4）活塞杆 活塞
44、杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。 (5）密封圈 回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。 缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种： 整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。 气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。3.5.3 气缸的工作原理根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构
45、，以减少气缸的尺寸。 3.5.4 气缸的设计与计算查阅相关数据表：图3.7 六角螺母规格重量表图3.8 平垫圈规格重量表根据图3.7和图3.8的螺母和垫圈的规格表,得知:M6螺母的重量G=mg=2.317x9.8/1000=0.023NM10螺母的重量G=mg=10.99x9.8/100=0.108N6垫圈的重量G=mg=1.42x9.8/1000=0.014N10垫圈的重量G=mg=3.98x9.8/1000=0.039N根据以上面所求的数据计算气缸所受的总拉力：气缸所收的总拉力F=吸盘的重量+三通接口的重量+支架的重量+M6螺母的重量+M10螺母的重量+6垫圈的重量+10垫圈的重量 +六角
46、双头螺栓的重量+密封垫零件的重量=0.066x4+0.491x4+4.003+0.023x4+0.108+0.014x8+0.039+0.962x4+3.38=13.81N由气压公式F=PS，这里去P为标准大气压（实际中气压大于标准大气压）则13.81=101325xS可以得到S=R2=0.000136m2即R=6.6mm查阅该类气缸的数据表：图3.9 竖直气缸的外形尺寸查阅标准气缸的钢径和活塞杆直径系列表可知：取活塞杆的直径d=12mm,气缸的内径D=32mm则该气缸的受力面积S=R2=3.14x0.0122=0.000452m2其受力面积0.000452 m2大于情况所需的0.000136
47、m2，根据条件，取气缸行程为50mm，所以该气缸FB 32 12 50完全符合条件。取该气缸材料为Q235号钢材，则查阅气缸筒的壁厚表可知，该气缸零件的壁厚取4到5mm，这里计算取5mm。由以上数据，我们可以求得气缸筒的体积V=2.12-1.62=87.15cm3活塞杆的体积V=0.62x5=5.7cm3则粗略的估算竖直方向的气缸质量m=7.85（87.15+5.7）=728.5g其重量G=mg=728.5x0.001x9.87.1N该气缸的外形解剖图如下：图3.10 竖直气缸的装配图结合理论计算的结果，并根据图3.9和图3.10气缸的尺寸信息，可得到所需的竖直方向上的气压缸。3.6 水平直线导轨的设计与计算3.6.1 直线导轨的概述直线导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。3.
