减震器盖装配线自动给料机械手设计学士学位论文.doc

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1、哈尔滨远东理工学院学士学位论文 题 目： 减震器盖装配线自动给料 机械手设计 姓 名： 郑 毅 分院： 机电工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 10140438 指导教师： 陈树海 二0 一 四 年 五 月 二十二 日摘 要 减震器是汽车悬架系统中的重要部件之一，它影响着整车的舒适性、操作稳定性、安全性等重要性能. 减震器盖自动上料的自动化程度影响着减震器的生产效率,随着工业化的发展和市场竞争的要求，对现在制造工业产品质量的稳定性、生产效率的要求越来越高，因此在生产现场搬运机械手成为一个工厂提高生产效率、提高产品质量稳定性、降低综合成本的一个必然选择。 本文简要地介绍了机械手的

2、概念、发展状况及其组成，气动技术的应用，PLC控制的特点及国内外的发展状况。对气动自动上料装置进行了总体方案设计,设计其自动上料系统机械手,主要完成了减震器盖自动上下料机械手的机械部分、气压系统和PLC（可编程序逻辑控制器）控制系统三大部分的设计。整个动作的完成是通过气缸驱动的，并利用PLC进行了编程控制。 该上下料机械手能够取代手工劳动，降低工人劳动强度，提高上料的生产效率。关键词：机械手；上下料；减震器盖AbstractShock Absorber is one of the important components of the car ,It affects the cars comf

3、ort,Stability operations,Security and other important properties.The automatic degree of the damper covers automatic loader have the impact on the whole production efficiency.As the developmen of the industrialization and the demands of the market competition,the high demand of the manufacturing ind

4、ustry on the stability of product quality, production efficiency is necessary ,Therefore, in a factory,handling machinery become an inevitable choice to increase productivity, improve product quality stability, reducing the cost an so on. This article introduced machinists concept, the development c

5、ondition and the co-mposition briefly, air operated technical application, PLC control characteristic and domestic and foreign development condition. It has carried on the overall concept design to the tire valve automatic high-quality goods installment.designs its automatic high-quality goods syste

6、m manipulator.The thesis mainly completes three parts of the damper cap manipulators machine systems,hydraulicand PLC(PROGRAMMABLE LOGIC CONTRLLOR)control.The entire movement completion is actu-ates through the air cylinder, and has carried on the programming control using PLC. This automatic high-q

7、uality goods system manipulator can substitute for the manual labor,reducesworkerslabor intensity,and also enhance the production efficiency of drill stem.Key words: manipulator；loading and unloading；Shock Absorber co目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1课题名称11.2课题背景11.3研究课题的意义11.3.1以提高生产过程中的自动化程度11.3.2.以改善劳动

8、条件，避免人身事故11.3.3.可以减轻人力，并便于有节奏的生产21.4国内外发展状况21.5发展趋势2第2章 确定总体方案42.1 机械手的概念42.2机械手的组成及其分类42.2.1机械手的组成42.2.2机械手的分类52.3机械手的设计原则62.4机械手的坐标型式与自由度的选用62.5机械手的结构方案设计62.5.1方案一62.5.2方案二72.6机械手的驱动方案设计72.7机械手的控制方案设计82.8机械手的主要参数82.9本章小结9第3章 机械手的结构设计103.1机械手的手部设计103.1.1手部的种类及设计注意事项103.1.2手部夹紧气缸的设计113.2机械手的手臂设计143.

9、2.1手臂设计要求143.2.2机械手臂的结构设计153.2.3竖向气缸的选择153.2.4横向气缸的选择163.3导向装置的选用173.4.机架材料的选用173.5本章小结18第4章 机械手驱动系统的设计194.1机械手驱动系统的控制设计194.2气动辅助元件选取194.2.1方向控制阀194.2.2速度控制阀194.2.3消音器194.2.4空压机204.2.5气罐204.2.6气源处理组件204.3本章小结20第5章 控制系统设计215.1 PLC的特点及应用215.2可编程序控制器的使用步骤215.2.1系统设计215.2.2 I/0分配215.2.3画梯形图215.2.4编制程序22

10、5.2.5调试程序225.2.6保存程序225.3上下料机械手PLC的设计225.3.1机械手可编程序控制器和接近开关的选择225.3.2机械手PLC控制系统的设计与调试225.4本章小结26结 论27致 谢28参考文献29第1章 绪 论1.1课题名称减震器盖装配线自动给料机械手设计1.2课题背景减震器是汽车悬架系统中的重要部件之一，它影响着整车的舒适性、操作稳定性、安全性等重要性能.根据汽车工业年鉴相关资料统计分析，2005年汽车产量达到572万辆，2006年达到728万辆，预计“十一五” 期间汽车将以15%左右的的速度增长，2010年汽车行业规模将达到1273万辆以上。汽车规模在高速增长，

11、作为汽车的主要配套行业，中国减震器市场供应一直处于供大于求的状态，生产厂家过多，并且市场上的产品质量相差不大，各厂家价格也都几乎一样，加之国外的主要减震器企业不断进入国内市场，国内企业将难以应对。 图1-1 减震器盖减震器盖（图1-1）的自动上料的自动化程度影响着减震器的生产效率，随着工业化的发展和市场竞争的要求，对现在制造工业产品质量的稳定性、生产效率的要求越来越高，因此在生产现场搬运机械手成为一个工厂提高生产效率、提高产品质量稳定性、降低综合成本的一个必然选择。正是在此背景下，我进行了减震器盖装配线自动给料机械手设计。1.3研究课题的意义1.3.1以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利

12、于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。1.3.2.以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。1.3.3.可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少

13、人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。1.4国内外发展状况 工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS）和计算机集成制造系统(CIMS)，实现

14、生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986一1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京

15、科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC一PWM等等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围;在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。1.5发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满

16、足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用

17、，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。第2章 确定总体方案2.1 机械手的概念 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”。图2-1。 图2-

18、1 工业机械手2.2机械手的组成及其分类2.2.1机械手的组成机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统等部分组成各系统相互之间的关系如图2-2所示。执行系统（包括、机身、臂部、腕部、手部）驱动系统控制系统被抓去对象图2-2机械手各系统之间的关系2.2.1.1执行机构执行机构是机械手完成握持工件实现所需的各种运动的机械部件，包括如下几个部分：（1）手部：即与物件接触的部件。根据与物件接触的不同形式，可分为夹持式和吸附式。（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。一些简易的机械手，也有不设手腕部件，将手部直接装在手臂部件的端部。（3）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部

19、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。（4）机身：是机械手中用来支撑手臂的部件，安装驱动装置和其他装置的部件。2.2.1.2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等四种形式。2.2.1.3控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否的一些装置。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。2.2.2机械手的分类2.2.2.1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

20、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。 （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化的生产。2.2.2.2按驱动方式分（1）液压传动机械手：是以液体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，否则油的泄漏对机械手的工作性能

21、有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。（2）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：介质来源极为方便，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：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，但结构庞大，动作程序不可变。它

22、常被用于工作主机的上、下料。（4）电力传动机械手：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，但有一定发展前途。2.2.2.3按机械手的臂力大小分按臂力（即被传送物件的重量）的大小，可将机械手分为如下四类：（1）微型机械手：臂力小于1公斤。（2）小型机械手：臂力为1-10公斤。（3）中型机械手：臂力为10-30公斤。（4）大型机械手：臂力大于30公斤。2.3机械手的设计原则设计机械手的原则是：充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的作业工

23、序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性。本次设计的机械手是搬运机械手，是一种适用于成批或中、小批量生产的、可以改变动作程序的自动搬运和操作设备，它可用于劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.4机械手的坐标型式与自由度的选用考虑机械手手臂的不同运动形式及组合情况，本机械手在上下料时具有手臂的升降动作及手指在夹持物件时的开闭运动。在设计中机械手的坐标型式采用直角坐标型式，相应的机械手具有三个自由度。2.5机

24、械手的结构方案设计手臂的升降运动是通过气缸或液压缸来实现的，横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动均由相应的气缸或液压缸来实现。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成V型槽式可更换结构，使用的是夹持式手部。2.5.1方案一1.大笔 2.小臂 3.夹紧缸 4.手部 5.上料架 6.托盘图2-3结构方案一该机械手的工作原理：机械手的初始位在上料架的正上方。在上料过程中，首先小臂的升降油缸2驱动小臂下降，手4抓取工件，小臂上升复位。然后，大臂的伸缩油缸1驱动手臂横向移动，把工件送到托盘的正上方后，小臂的升降油缸2下降，把工件送至托盘位上，手4放开工件，小臂2上升，大臂的伸缩油缸1驱动手臂

25、横向移动，将工件送到料架的正上方，机械手完成一个工作周期。该结构原理简单，但结构尺寸过大，从而机械手的运动时间过长，降低了机械手的工作效率。横向的导轨采用滚轮，定位不准确，精度差。2.5.2方案二1.机架 2.横缸 3.竖缸 4.夹紧缸 5.手 6.上料架 7.托盘图2-4结构方案二该机械手工作原理与方案一相同，但整体尺寸缩小，结构紧凑，且横向使用导杆定位，定位精度准确，因此，该方案为可执行方案。2.6机械手的驱动方案设计气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气

26、动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。 另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。 工业机器人使用最多的一种驱动方式是电机驱动。但是由于这类机器人价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机器人驱动方式。直角坐标的气动机械手的三种形式，如图2-5。 1 立柱型气动机械手 2 门架型气动机械手3 滑块型气动机械手图2-5直角坐标的气动机械手的三种形式 随着气动技术获得了快速发展，其中利用成本性能比低廉及同时

27、具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表2-5给出了各种控制方式的比较。由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，加之减振器盖抓取载荷较轻，因此，本机械手采用气压传动方式。2.7机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们PLC对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常便捷。2.8机械手的主要参数主要参数如下

28、：（1）主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，为60克。（2）基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂表2-1各种驱动方式比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大中不太大定位精度一般一般很高高动作速度大很大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般无问题无特殊问题伸缩及升降的速度。（3）该机械手最大移动速度设计为

29、0.8 m/s，最小为平均移动速度为0.05m/s。（4）除了运动速度以外，机械手的基本参数还有工作空间。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的工作空间，必然引起偏重力矩增大而使刚性降低。根据统计和比较，横向伸缩行程约800，手臂升降行程约为500mm。 (5)定位精度也是基本参数之一，该机械手的精度为0.38mm。2.9本章小结 本章主要介绍了机械手的概念，机械手的分类、组成，确定了机械手的结构方案，初步介绍了机械手驱动方案、控制方案的设计，确定了机械手的主要参数。第3章 机械手的结构设计3.1机械手的手部设计机械手的手部是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组

30、成部件之一。由手指、传力（或增力）机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特性（如易碎性、导磁性、表面光洁度等）的不同，手部的种类也不一样。3.1.1手部的种类及设计注意事项3.1.1.1手部的种类（1）根据手指的种类不同分类夹持式手部吸附式手部（2）根据手指的多少分类单指手部是由各种单个吸盘所组成的手部。 多指手部是由多个机械式手指或多个吸盘所组成的手部，其中由两个机械式手指所组成的手部用的较多。手部夹持器吸附式外夹式内撑式气吸式磁吸式平移型回转型图3-1手部的种类夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：按手指夹持工件的部位又可分为

31、内卡式和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛因此，本系统采用回转型两指式外夹持手部。3.3.1.2设计注意事项（1）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应能保证被抓物件顺利进入或脱开，其大小直接与工件和手指的形状、尺寸及手部接近被抓物件的路线等因素有关，同时还要注意路线周围的

32、环境。若夹持不同直径的物件，采用较大的开闭范围会增大驱动装置的行程和结构尺寸，而且会增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计的过大。（2）手指夹紧力的大小要适宜握力过大，可能损坏物件，还需要较大的动力源和较大结构，不经济；握力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和振动等因素的影响而抓不住物件。在通常情况下，所需要的握力是物件重量的23倍。（3）各构件要有足够的刚度和强度，而自重要轻。（4）结构简单，修理方便。（5）动作准确、迅速、灵活。3.1.2手部夹紧气缸的设计夹持式手部的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活缸应用最多。所以，本课题中夹紧气缸采用双向作用的单杆活

33、塞缸。双向作用单杆活缸活塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力P1拉力P2，如图3-2所示：图3-2气压双向作用单杆活塞缸3.1.2.1手部驱动力的计算本课题气动机械手的手部结构采用的是双向作用的单杆活塞缸，V形手指的角度2=90，如图3-3所示，R=55 mm，质量为0.6kg.图3-3 机械手手部（1）求单个手指所需握力N以手指夹持苹果的中心为平衡点，结构受力如图3-3所示，其力的平衡条件为F=0，所以有2Nsin-F=0式中：N单个手指的计算握力（N）；故 取F=mg（g取10m/）；又由 式中：N单个手指所需握力（N）；安全系数（K=1.11.5）；工作情况系数，主要考虑惯

34、性力等的影响（K=1.12.5）；手部的机械效率（=0.850.9）。该处取=1.3，=2.0，=0.85。（2）求滑槽对圆柱销的支撑力P对O点，手指由静力矩的平衡条件M=0得（3）求实际驱动力对O点，结构受力如图所示，据受力平衡条件：F=0得 取 式中：夹紧气缸所需的驱动力（N）；因此，取其设计值为8N。3.1.2.2手部夹紧气缸主要尺寸的确定手部夹紧气缸的主要尺寸是指气缸的内径（活塞直径）、外径、活塞杆的直径和缸的长度等。这些尺寸可以根据手部所需的输出力等来确定。（1）气缸内径的计算该手部结构为“推夹紧”外夹式手部，采用“推夹紧”的结构有利于缩小气缸的直径。对于活塞，由平衡条件得式中：气缸

35、所需的输出力（N）；S气缸有效工作面积，该处P气缸工作压力（MPa）；总阻力的损失效率，一般取0.70.8该处取工作压力P =0.15MPa，=0.7；所以有查液压气动手册，选取缸筒内径16mm11.55mm，故取D=16mm。（2）气缸长度L的确定气缸长度L应根据所需要的行程长度来确定。从制造上考虑，只要不大于其内径2030倍即可。在这里根据工作机构的行程要求，取气缸长度L=60 mm。（3）缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算式中：缸筒壁厚（mm）； D气缸内径（mm）； P试验压力（MPa），取P=1

36、.3P=1.30.15=0.195MPa; 缸体材料的许用拉应力（MPa）。用薄壁筒公式计算时，其安全系数n（= ，为缸体材料的抗拉强度）常取得较大（n=5）。此处选缸体材料为铝镁合金（ZL），其密度=2 .55g/cm3，抗拉强度故 所以有 气缸壁厚设计值与计算值相比应较大。按标准取=1mm，则缸筒外径为 D=D+2=12+21=14mm（4）活塞杆直径的计算活塞杆的直径d可根据气缸负载预先估算，也可按d/D=0.20.3估算。此处，取d=0.2 D=0.212=2.4 mm。查有关手册，可选d=6mm。活塞杆的常用材料为钢或铸铁，本设计中选用灰口铸铁（Ft），其密度=7. 0g/cm3，抗

37、拉强度 =100MPa。按强度条件对活塞杆的直径进行计算，因采用“推夹紧”的结构，故按受压杆考虑得式中：P活塞杆所需的输出压力（N）；d活塞杆直径（mm）；活塞杆材料的许用应力（MPa），= ，n为安全系数（一般取n1.4，此处取n=1.5），= =66.67MPa，则有0.45mm15d）时，需进行稳定性验算。根据行程需要，取活塞杆的长度L=60mm15d，所以无须进行稳定性验算。（5）选择密封装置缸筒和端盖之间是静密封，根据液压气动手册，可选用以橡胶为材料的O形密封圈。根据以上要求选取10Y-1单作用夹紧缸，缸径为12mm,缸长60mm,最大行程为300mm,速度为50500mm/s.3.

38、2机械手的手臂设计 手臂部件（简称臂部或手臂）是机械手的主要执行部件。它的作用是支承手腕和手部（包括被夹持物件），并带动它们在空间运动。手臂运动的目的是把手部送达空间运动范围内的任意点上。如果要改变手部在空间的方位，可增加手臂的自由度来实现。3.2.1手臂设计要求手臂是机械手的主要运动部件，又是主要的受力部件，它工作性能的好坏，对机械手的承荷能力和运动精度等参数影响很大。臂部设计时设计要求如下：3.2.1.1刚度刚度是指手臂在外力作用下抵抗变形的能力。它是由外力和外力作用方向的变形量的比值来表示的。如比值小则刚度大。对机械手来说，通常手臂的刚度是一个比强度更突出的问题。一般在结构上手臂采用悬臂

39、梁形式，这对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为了提高刚度，应尽量缩短臂杆的悬伸长度。3.2.1.2精度影响精度的因素有：主要运动件的制造和装配精度，手部和手腕在臂部的定位和连接方式，以及手臂立柱的导向装置和定位方式等。对于导向装置，其导向精度、刚度和耐磨性等对机械手的精度和其它工作性能影响很大。3.2.1.3平稳性手臂（包括手臂立柱）运动较多，在运动状态变化时，将产生冲击和振动，其工作平稳性问题就较为突出。在设计时要提高结构刚度，以及采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。应注意：手臂的运动部件力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。手臂构件可采用铝合金或工程塑料。3.2.1.4其它（1

40、）传动系统力求简短，以提高传动精度和效率。（2）各驱动装置、传动件、管线系统以及各个运动的控制检测元件等布置要合理紧凑，操作维修要方便。3.2.2机械手臂的结构设计按照抓取物件的要求，机械手的手臂可以有三个自由度，即手臂的伸缩运动、回转运动和升降运动。本系统将手臂设计成具有升降和横向伸缩运动俩个自由度的结构。手臂的升降运动是通过气缸来实现的，气缸的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由相应的气缸来实现。3.2.3竖向气缸的选择本文中手臂（直臂部分，不包括立柱）设计为圆环截面的直杆，考虑到经济和美观，要求，采用等截面设计。手臂是机械手支承被抓物件、手部和手腕的重要部件，其作用是带动手指去抓取物

41、件，并按预定要求将其搬运到指定位置。本文设计目标是在手臂载重一定的情况下，得出一个手臂质量最小的结构设计方案。夹紧缸的质量机械手的主参数为最大抓重，本设计中机械手的最大抓重为由于在整个质量的计算过程中，未考虑螺栓、螺母和俩面夹板的质量，所以计算值较实际值偏小，该处可取。得3.2.3.1气缸内径的确定由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力，利用下述公式可计算出缸径D。当活塞杆输出推力克服载荷做功时式中:D气缸内径(m);F1活塞上的推力(或称工作载荷)(N);P初选的工作压力（Pa），一般为P=0.15MPa;总机械效率，当气缸动态性能要求，工作频率高时，取=0.30.5; 速度低时取大值，

42、速度高时取小值。气缸动态性能要求一般，工作频率较低时，可取=0.7一0.85。当活塞杆输出拉力克服载荷做功时式中:F2活塞杆的拉力(N); d根据拉力预先估定的活塞杆直径，估定活塞杆直径d/D=0.160.5。把d/D=0.16一.05带代入上式中，则可得代入数值得：D=13.6mm 取D=32mm3.2.3.2壁厚的确定取=3mm则 根据以上要求选取10Y-2双作用缸，缸径为32mm,缸长500mm,最大行程为400mm,速度为50700mm/s.3.2.4横向气缸的选择手臂的伸缩是直线运动，水平安装机架上，要求使用的气缸的体积小、重量轻。3.2.4.1缸径D的计算取d/D=0.5，取P=0

43、.15Mpa, =0.3计算，即 FA约取为30N 取D=50mm3.2.4.2壁厚的确定 取=3mm根据以上要求选取10A-5双作用缸，缸径为50mm,缸长1000mm,最大行程为800mm,速度为50700mm/s.3.3导向装置的选用气压驱动的机械手手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。如图3-4所示是由直线运动球轴承3、支承

44、座4、导轨轴2和导轨轴支承座1构成的圆柱形滚动直线导轨套副。由于结构上的原因，滚动直线导轨套副只能在导轨轴上做轴向直线往复运动，而不能旋转。负载滚珠与导轨轴外圆作凸圆之间的点接触，因而许用载荷较小。这种轴承运动轻便、灵活，精度较高。价格较低，维护方便，更换省事，在机床工具系统，测量、控制装置，电子计算机外部设备，纺织机械，绘图、打印机等各种设备的轻载移动、运输系统中得到广泛的应用。图3-4导轨套副3.4.机架材料的选用考虑到整套装置重量轻，在满足强度要求下，选用冷拔无缝方形钢管（GB/T30941982)，根据机架不同部位安装所需的空间确定A的值。壁厚均选8mm.，如图3-5 图3-5 方形钢管3.5本章小结本章介绍了机械手手部、手臂的设计，说明了设计注意事项、设计要求，确定了手部夹紧气缸，手部横移、升降气缸的主要尺寸，介绍了导向装置以及机架材料的选用。第4章 机械手驱动系统的设计机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。气压传动在工业机械手中应用得较多，尤其是高速机械手。4.1机械手驱动系统的控制设计根据该机械手的动作要求，在驱动系统中气缸的运动方式只有一种，即：直线运动 气动系统原理图如图4-1所示。1、2、3-2位5通双电控电磁阀 4-气源处理组件 5-气罐