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1、摘要科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台三自由度的气动机械手有着深远的科教意义。本课题设计的三自由度气动机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的三自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的伸缩。设计中分析了该机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩。设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作。关键词机械手；气动装置；三自
2、由度；控制系统AbstractScientificconceptofdevelopmentofengineeringtechnologyhasopenedupabroadroad,whiletherobotasahigh-techautomatedproductionequipment,hasbeenwidelyusedinvariousfieldsofnationaleconomy,whichtheeducationandtrainingsectorofourproposednewrequirements.Therefore,inordertoadapttothesituationofsoc
3、ialdevelopment,basedonexistingtechnologytodesignateachingtyperobotsciencehasfar-reachingsignificance.Thesubjectofdesignforteachinghandlingrobots,mainlyconsistsofrobotsoveralldesign,robotmechanicalstructuredesign,aswellasdrive,controlsystemdesign,implementationofthemanipulatorhandsoffourdegreesoffree
4、dom:thearmmovements,stretchingandwrist,arm,rotary.Thedesignoftheteachingfunctionofmechanicalhandrequirementsandpracticalsignificance,achievedbypneumaticcylinderspushthearmmovementsandstretching,rotarypneumaticcylindersusedtoachievearmandwristrotation.Manipulatordesignsimple,easytooperate,underthecon
5、troloftheMCUtocompletethedesiredaction,givingthestudentsavisualimpression,toachievethepurposeofteachingdemonstration.KeywordsManipulatorTeachingtypeFourDegreesofFreedomSCM1 11.1 机械手概述11.2 机械手的组成和分类11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的分类41.3 国内外发展状况51.4 课题研究的主要内容71.5 机械手的功能要求72机械手的设计方案82.1 机械手的座标型式与自由度82.1.1 机械手的
6、坐标型式82.1.2 机械手的自由度92.2 机械手的手部结构方案设计92.3 机械手的主要参数112.4 机械手的技术参数列表113机械手机械系统设计133.1 手部结构设计133.1.1 真空吸盘吸持工件的功力学分析133.1.2 真空吸盘的选取133.1.3 真空发生器设计143.1.4 其他元件的选用163.2 手臂结构设计163.2.1 手臂设计的基本要求173.2.2 手臂的典型机构及结构选择173.2.3 手臂直线运动驱动力的计算183.2.4 气缸工作压力和结构的确定194机械手气压系统的设计224.1 气压传动系统工作原理图224.2 气动元件介绍23结论26致谢27参考文献
7、281绪论1.1 机械手概述机器人由操作机（机械本体），控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成一个人形操作，自动控制，可重复编程，能在自动化生产设备的三维空间机电一体化的完成各种工作。特别适合于多品种，体积可变的柔性生产。其稳定性，并提高产品质量，提高生产效率，提高起着的劳动条件和产品的快速更新换代非常重要的作用。高科技机器人技术是计算机，控制论，组织，信息和传感技术，人工智能，仿生学并形成其他学科的结合，是当代研究十分活跃，日益广泛领域的应用。机器人技术的应用，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人代替人工的劳动不是简单意义上的，而是一个人谁有意优势的机电设备机械和专业知识，无论人们对环
8、境状况和快速反应能力，分析和判断，另一台机器很长一段时间继续工作，精确度高，抗恶劣环境，从某种意义上，它也是机器，这是一个重要的生产和工业及非工业界每一组是不可缺少的先进服务的进化过程的产物制造技术自动化设备。机器人是模仿人手的行动的一部分，根据给定的程序，跟踪和自动机械装置的自动采集，处理或操作要求。在工业机器人称为应用“工业机器人在生产自动化机器人应用可以提高生产水平和劳动生产率：可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，特别是在高温，高压，低温，低压，粉尘，易爆，有毒气体和放射性和其他恶劣环境下代替正常的劳动人民更是显著。因此，越来越广泛引用于机械加工，冲压，铸造，锻造，焊接，热处理
9、，电镀，涂装，总装及轻工，交通等方面的问题。机器人开始正式结构相对简单，高度敬业的，只有一台机器装卸设备连接到本机专用机械手。随着工业技术的发展，通过程序控制制成，可实现独立的重复操作，“万能机器人控制程序”的范围很广，简称通用机械手。因为一般的机器人可以迅速改变工作方案，适应性，所以它是不断变化的品种小批量的生产积累了丰富的参考资料。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成主要由机器人执行器，驱动形成系统，控制系统和位置检测装置。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。（一）执行机构它包括手，手腕，手臂和列的其他部分，和一些额外的行走机构。手部该部件与所述对象接触。由于不同的形式与
10、对象接触，可以分为夹子和吸附手。片手用手指（或爪）和传力机构构成。手指与对象组件手指运动的常用形式回转型和平移型直接接触。回转型手指结构简单，易于制造的组件，所以广泛应用。少平移的应用，其原因是复杂的结构，但是平移圆形夹紧手指部分，工件直径变化不影响其轴线的位置，因此，在大径范围适于保持工件。手指结构取决于物体的表面被抓取的形状，夹件（外部轮廓或空穴）和重和该对象的尺寸。常见的有手指平，V形表面和表面：手指夹式和卡片；指数有两个手指，多指式和手，如两个手指的风格。通过手指夹生成把对象来完成任务的动力传递机构的夹紧力。传力机构型式较常用的有:连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等。吸附式手
11、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吸磁力）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，光滑的板材，通常用吸盘吸。造成消极的方式有气流和真空负压式。为圆环的渗透性，和一个穿孔的磁盘部件，并且有网状金属板，通常电磁吸盘吸力。由直流和交流电磁铁的电磁铁产生的电磁吸盘吸力。带吸盘和吸入电磁吸盘，其形状，数目，大小吸附力吸盘，可根据被吸附的对象的形状，大小和重量的大小。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、手臂所述支撑臂被捕获的对象，手，腕的重要组成部分。操作臂带动手指抓住一个对象，然后要求将其定运输到指定地点。通常由机
12、器人臂部件（如气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，凸轮机构和螺杆机构等）和驱动源（例如液压的，气动的或电机等）的驱动器手臂的运动，使手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下：直线运动:如伸缩、升降、横移运动C基本运动Y回转运动:如水平回转、左右摆动运动手臂运班直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动）I复合运动X两直线运动的组合（即平面运动）、两回转运动的组合（即空间曲面运动）。当伸缩臂携带或升降运动，以防止绕其轴线旋转时，都需要一个导向装置，以确保手指的运动的正确方向。此外，该指南还承担当弯矩和扭矩和摆动手臂运动开始，由制动转矩产生，使运动部件的应力状态是简单的转动惯量遭受武器。引导装置结构的形式
13、，常用的有：单缸，两缸和四缸型，如取向。4、立柱柱支承臂部件，列也可能是手臂的一部分，手臂运动的旋转运动都与列相关联。该机器人是一般的工作需要固定的列，但有时也可以横向移动，被称为便携式列。5、行走机构相比与工业机器人需要完成的操作距离，或扩大使用范围，辑可安装在基体中，轨运行的齿轮等上，以实现在整个工业机器人的运动。辐行走机构可分为2轨和无轨。运动应增设四轮驱动机械传动装置。6、机座基座是一个基本组成部分的机器人，和驱动系统组成的机器人驱动器被安装在支架上，它作为支撑和连接。（二）驱动系统机器人驱动系统驱动一个动力致动器的运动装置，通常由一动力源，所述控制装置和所述辅助调节装置的组成部分。有
14、驱动系统液压四种常见形式，气动传动，动力传动和机械传动等。（三）控制系统控制系统由工业机器人运动控制系统的要求为主。目前机械手控制系统的一般过程控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统。控制系统一般采用电器控制，可根据规定的动作程序，哪些占主导地位的机器人，和人们的记忆中给机器人指令信息（如动作顺序，轨迹，速度和时间），而他们的信息控制系统的执行器发出一个指令，如果需要，监视机器人的运动，当发生错误或故障的报警信号的作用。（四）位置检测装置机器人的运动控制致动器位置和致动器的任何时候反馈到控制系统中的实际位置，并与所述位置集合，然后由控制系统调节，使得致动器被设置为在一定的位置精度进行比较。1
15、.2.2 机械手的分类许多类型的机器人，在分类问题，有一个在国家分类标准不统一，在此暂按范围，驱动器和分类控制系统。（一）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它被连接到主机，与没有机械设备的独立控制系统的固定程序。特种机器人有少动，工作对象单一，结构简单，工作可靠，成本低的特点，往往在这种自动化的自动机，自动线切割机器人和“加工中心”批量生产自动换刀装置的使用。2、通用机械手它是一个独立的控制系统，该过程变量，机器人的灵活操作。可通过调节驱动系统和性能范围，其中操作方案是可变的并且是独立于控制系统的用于在不同的场合。通用机器人工作范围，定位精度高，通用性强，适合生产品
16、种变化小批量的生产自动化。通用机械手控制自己的方式和伺服定位可分为两种简单：简单的“开一关控制位置，控制点只有：与伺服定位系统，可以点位置控制伺服控制，也可以实现连续路径控制，通用机器人伺服数控型。（二）按驱动方式分1、液压传动液压操纵器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，传动平稳，结构紧凑，动作灵敏。然而，在密封装置，或油泄漏性能机械臂严格要求有很大的影响，并且应工作在高温和低温下。如果机器人使用电动液压伺服驱动系统，可实现连续路径控制扩大机器人的通用性，但高精度的电动液压伺服阀，流体过滤苛刻和昂贵的制造。2、气动驱动机器人是一种压缩空气的压力来驱动机器人的致动
17、器的运动。其主要特点是：媒体源极为方便，体积小输出功率，气动快速动作，结构简单，成本低。然而，由于空气是可压缩的特性，工作速度的稳定性差，大和低气压的影响，制动器30千克的重量通常是在相同的条件下重新抓它比机器人的液压结构变大，因此，适用于高速工作，轻载，高温，多尘的环境。3、机械传动机械手也就是说，机械传动机构（如凸轮，连杆，齿条和齿轮机构等间歇地）驱动的机械手。这是工作机器人专用主机，其功率是由一个工作机器交付之附属公司。它主要特点是运动准确可靠，伟大的运动频率，但较大的结构，动作程序不能改变。它经常被用来在主机上,切割的工作。4、电力传动机械手即，感应电动机的特殊结构中，线性马达或步进马
18、达直接驱动机器人致动器的动力运动，因为没有中间转换机构，该机械结构简单。其中线性电机的机器人的移动速度和冲程长度，维护和易于使用。这种机器人是目前不多，但有希望的。（三）按控制方式分1、点位控制它的运动来移动点之间的空间，在运动控制位置只有几个点，无法控制它的轨迹。若欲多个控制点，势必增加了电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机器人都属于这一类。2、连续轨迹控制它是任何空间轨迹的连续曲线，其特点为无限集合点，整个过程是在移动的控制下，可以是光滑的和准确的移动，并使用范围很广，但电气控制系统的复杂性。这种机器人一般采用小型计算机控制。1.3 国内外发展状况近年来，机器人的海外发展领域有
19、以下趋势：（1）机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和维护），以及单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。（2）机械结构向模块化，可重构化发展。如关节模块伺服电机，减速机，三一检测系统：关节模块，利用重组机器人机械构造链路模块;国外已经要求全市模块化装配机器人。(3)以基于PC的易标准化，网络的开放型控制器方向机器人控制系统的开发，提高设备集成度，控制柜变得越来越紧凑，模块化结构：大大提高了系统的可靠性，易于操作和维护。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用远景，力传感和其他传感器
20、和远程控制机器人采用视觉，声觉，力，触觉等多传感器融合技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合技术已经成熟的应用程序配置在系统中的产物。(5)虚拟现实技术中的模拟，对过程控制排演的发展，如远程控制机器人操作员，以产生暴露于远程操作环境来操纵机器人的触感机器人的作用。(6)拥有现代化的遥控机器人开发系统是不追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人控制，遥控加局部自主系统，是监控系统的完整的远程操作之间的人机交互，使智能机器人走出实验室进入实用阶段。美国发起的“旅居者”机器人成功的这样一个系统的应用是火星上最有名的例子。(7)机器人机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新装置已成
21、为国际热点研究之一，已经探索扩大实际应用的领域。中国从20世纪80年代，工业机器人，“规划”科技攻关开始通过“七五”国家的支持下，“八一”技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，控制系统硬件和软件开发涂装，焊接，点焊，装配，搬运等机器人设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产一些机器人的关键部件；其中有130余台套喷漆机器人在20多家企业的应用规模，对工厂近30自动喷漆生产线(站)在汽车焊接机器人焊接生产线应用。但有一定的水平和国外比从整体来看，中国的工业机器人和工程应用，如：可靠性低于国外产品：机器人应用工程起步较晚，狭窄的应用，技术和生产线国外比有差距的制度;在应用中国国内工业机器人的
22、规模已经安装了约200个单位，占全球安装万分之四的单位数。主要的原因是没有上述机器人产业形成，目前生产的机器人是用户的要求，“一个客户，一个重新设计”，品种规格齐全，体积小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本不低，但质量，可靠性不稳定。目前迫切需要解决的关键技术的早期工业化，全面的计划产品，提高系列化，通用化，模块化设计，积极推进产业化进程。我们的智能机器人和特种机器人，以支持“863”计划的同时，还取得了不少成果。其中最突出的是水下机器人,结果6000米无缆水下机器人世界领先水平，而且还开发出直接遥控机器人手臂协调控制机器人，爬壁机器人，机器人模型管道：在机器人视觉，力和发展应用程序的感觉
23、，触觉,良好的睡眠和其他基本技术，开展了大量的工作，有一定的发展基础。但在多传感器信息融合控制技术，遥控加局部自主系统遥控机器人，智能装配机器人，机器人机械等的开发应用还刚刚起步，还有很大差距与国外先进水平，你需要得分的基础上，原来，有集中系统的研究，以形成一个完整的系统中可用的实用技术和产品，以“十二五”，并跻身世界上最先进的立场。1.4 课题研究的主要内容本课题主要研究了国内外机械手发展的现状，阐述了机械手的功能要求和现实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉了机械手的运动机理。在现有机械手技术基础上，确定了三自由度气动机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完
24、成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并对机械手的控制技术进行了一定的阐述。1.5 机械手的功能要求本次设计的机械手是一台三自由度气动机械手，可实现手部三自由度运动，完成物件的搬运工作。要求所设计的机械手达到以下目标：1.三自由度分别为XYZ轴的直线运动，行程为300x300x200W2 .手部结构采用吸盘形式，负重1kg；3 .成本低廉，必要时可以降低精度要求；4 .机械结构简单；5 .性能良好；6 .各部分结构最好方便拆卸，以便于维修保养。2机械手的设计方案气动机械手的基本要求是能够快速，准确地取放和处理的对象，这就要求他们具有较高的精度，响应速度快，有的承载能力，足够的
25、工作空间和自由度和灵活性，随时随地可自动定位的特点。设计原理气动机械手的是：一个全面的分析工作对象（工件）的操作技术要求，制定出最合理的操作流程和工艺，以满足系统功能要求和环境条件；结构形状清晰的工件和材料特性，定位精度的要求，爬行，当力操控性能，尺寸和质量参数，从而进一步界定的机器人控制要求的结构和运作；定型尝试使用标准组件，简化了设计和制造过程中，考虑到通用性和特异性，并且可以实现灵活的转换和编程控制。本次设计的机械手是一台三自由度气动型搬运机械手，要求所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求。2.1 机械手的座标型式与自由度2.1.1 机械手的坐标型式机械手的
26、坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表21：表2-1结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高13球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚
27、度不足，机械结构较为复杂国4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手的刚度差初步确定选用直角坐标型机械手。选用直角坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结构紧凑,但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂,结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，直角坐标型机械手结构刚度较好，控制难度
28、较小，用于本次毕业设计的选型比较合适。2.1.2 机械手的自由度自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要6个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目，它表示机械手动作的灵活程度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂未端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，
29、机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为3个自由度。2.2 机械手的手部结构方案设计1 .手部结构的设计本次设计手部结构采用真空吸盘形式。真空吸盘工作原理：真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独立的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有
30、的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是：压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状来实现任意角度的传递。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘的受力进行动态分析。2 .手腕结构的设计腕，手和臂连接构件，它具有一个独立的自由度，实现本机械腕旋转所需的，具有一定程度的自由度。3 .手臂结构的设计根据机器人手臂具有三个自由度，即伸缩臂
31、的要求，抓住工件，打开和臂的向下运动是通过该柱来实现，该列是臂横动的横向移动。各种气缸运动臂来实现的。4 .驱动部分的设计在普通的机械运动中，机械的驱动一般有气压传动、液压传动、电机传动等。各种驱动方式的特点见表2-2：表2-2常用的驱动方式内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能
32、结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪音低，电动机一般需配置减速装置安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危防爆性能好，高于100OKPa（10个大气压）时应注意设备的设备自身无爆炸或火灾的危险，直流有刷电动机换向时有火险抗压性花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中应用的范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手，如冲压机械手本体的气
33、动平衡及装配机械手气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手，点焊机械手，弧焊机械手，装配机械手等成本维修及使用液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定的要求成本低方便成本高较复杂综合考虑，本次设亍,选择气压驱动这种3区动方式。2.3 机械手的主要参数主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，定该机械手最大抓重为1千克。故该机械手主参数定为1千克。运动速度是机械手主要的基本参数。设计的速度过低限制了它的使用范围，速度过高对机械手的材料等有很高的要求，而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩、升降的速度。当启动，停止加入的过程中，减
34、速度存在一个行程曲线来说明速度与速度特性机器人运动更全面，因为平均速度与旅游有关，因此与平均车速，所述的步伐更符合速度线特性。设计该机械手手臂升降的平均速度为2mso除了速度，本设计的基本参数以及伸缩臂行程和工作半径。大多数人造机器人设计成或坐或站和操作空间稍微走动的等价物。过度膨胀冲程和工作半径，必然带来重视，以减少扭矩增加刚性。所以，该机械手手臂的伸缩行程定为300mm；最大工作半径约为300mm。手臂升降行程定为200mm。定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.3mm2.4 机械手的技术参数列表设计技术参数：1 .抓重：1千克2 .自由度数：3个自由度3 .座标型式：直角型座
35、标4 .最大工作半径：30Omm5 .手臂运动参数伸缩行程300mm升降行程20Omm6 .定位精度：0.3mm9 .传动方式：气压传动3机械手机械系统设计3.1 手部结构设计3.1.1 真空吸盘吸持工件的功力学分析在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上，使用真空吸盘来抓取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能,并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持，真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独力的真空系统，而后者可以利用一般生产过程
36、中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是：压空气通过收缩的喷腾后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。真空发生器的结构及参数设计，可以根据需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状实现任意角度的传递。在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘的受力分析进行动态分析。如图3.1所示为真空吸盘用于水平位置工作时的安装方位。在图3.1吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载
37、外，还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。图3.1真空吸盘的安装位置3.1.2 真空吸盘的选取为了确保真空吸盘能完成给定的任务，需考虑一定的安全系数，根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5,因此，许用提升重量=理论提升重量/N=垂直提升力/N表3.1吸盘直径、面积、垂直提升力参数表吸盘垂直提升力(N)吸盘直径D(mm)1013162025324050吸持面积(cm2)0.7851.332.013.144.918.0412.619.6吸盘垂直提升力(N)(-0.04MPa)3.145.328.0412.5619.6432.150.478.4由上表可知，当工件重量为1依时，
38、许用提升重量为9.8N,欲使安全系数达到要求,只需满足垂直提升力二需用提升重量一，即可，由表3.1选取吸盘直径为32mm即可满足。考虑到吸附物的可吸附尺寸(面)，所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径(O)因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右。因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。根据真空压力，吸盘
39、橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%o综合上述，所选吸盘参数为：吸盘直径D=32mmf吸盘吸持面积A=8.04,吸盘个数,真空压力P=0.04MP6To3.1.3 真空发生器设计真空发生器用于产生真空，结构简单，体积小，无可动机械部件，安装和使用都很方便，因此应用很广泛，真空发生器产生的真空度可达到88切m真空发生器的工作原理如图3.2所示。它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2、和接收管3等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低
40、的真空度，在真空口A处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。图3.2真空发生器的结构原理图真空发生器的结构简单，无可动机械部件，故使用寿命长。真空发生器的耗气量是指供给拉伐尔喷管的流量，它不但由喷嘴的直径决定，还与供气压力有关。同意喷嘴直径，其耗气量随供气压力的增加而增加，如图3.3所示。喷嘴直径是选择真空发生器的主要依据。喷起直径越大，抽吸流量和耗气量就越大，真空度越低;喷嘴直径越小，抽吸流量和耗气量越小，真空度越高。图3.3真空发生器耗气量与工作压力的关系图3.4所示为真空度特性曲线。由图可知，真空度存在最大值Ea,当超过最大值后,即使增加供气压力，真空度不但没有增加反而下降。实际使用时
41、，建议真空度选为(63%95%)乙皿。图3.4真空发生器耗气量与工作压力的关系在真空吸盘的选取时，己确定真空压力为0.04MPm由图3.3、3.4可得，该真空发生器耗气量和真空度分别取51.m%,-0.002M/%。3.1.4 其他元件的选用一个完整的真空吸附系统还包括真空过滤器、供给阀、破坏阀等，真空过滤器的选择ZFB-200-06型，流量是301.min,大于真空发生器的最大流量241.min,满足需求，真空节流阀选择K1.A系列单向节流K1.A-1.6,公称通径是6mm,有效截流面大于5mn2,泄露量小于50cm3min,单向阀开启压力为0.05Mpao供给阀设置在压力管路中，选择一般的
42、换向阀AB31、AB41系列多流体二位二通直动截止电磁换向阀，型号：AB310-1-6,公称通径5mm,AB接管螺纹ZG1/8,有效截面面积15.3mm2,有效截面面积大于真空发生器喷嘴儿面积的4倍，供气口得连接管内径大于喷嘴直径的4倍，减少供给回路的压力损失。真空换向阀设置在真空回路中，必须选择能用在真空条件下的换向阀，真空换向阀要求不泄露，故选择用截止式和导膜片式结构比较理想，选择09270、09550系列多种流体二位二通先导膜片式电磁阀，型号：0927000,接管螺纹1/4加，通径8切，换向频率大于0.5Hzo3.2 手臂结构设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（
43、包括工件或工具）,并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、移动和升降。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求,既手臂伸缩、横向移动、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。由于本设计需要，手部、腕部无需设计，只需设计手臂即可。3.2.1 手臂设计的基本要求臂部应承载能力大、刚度好、自重轻：根
44、据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸;提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；合理布置作用力的位置和方向；注意简化结构；提高配合精度。臂部运动速度要高，惯性要小：机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在100O-1500mms,大部分平均移动速度为100Omms,平均回转角速度在90。g在速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。手臂动作应该灵活：为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可
45、能平衡,以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。3.2.2 手臂的典型机构及结构选择1 .手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动,如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气压缸空心结构。（3）双活塞杆气压缸结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。2 .手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设
46、计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。3.2.3 手臂直线运动驱动力的计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的气压缸的驱动力根据气压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定气压缸所需要的驱动力。气压压缸活塞的驱动力的计算。/=G+七+电+。（3.1）摩擦力的计算：不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。M=0G总1.=aFh得Fb=汕aG忠+R=Fa得工=GJwg（3.2）7=EJZ=工+凡（3,3）式中G总一一参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；1.手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（皿）a导向支撑的长度（mm）；当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面:4.1111w2)二(1.271.57)摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜：取w=0.10.15钢对铸铁：取n=0.180.3计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁“=0.20x1.5=0.3,估取G总=100N,1.=0.8-
