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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
設(shè)計(jì)題目：沖床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)電信息系
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2013年4月30日
沖床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。本次設(shè)計(jì)的60噸沖床上料機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作順序，完成對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手的工作原理，結(jié)構(gòu)使用范圍，特點(diǎn)參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了闡述。此60噸沖床上料機(jī)械手主要是給沖床進(jìn)行上料和從儲(chǔ)料框中取料；機(jī)械手的抓重1Kg；1個(gè)自由度三個(gè)具體動(dòng)作，自由度為腰座的轉(zhuǎn)動(dòng),采用圓柱坐標(biāo)；其余兩個(gè)動(dòng)作為機(jī)械手的升降和伸縮，采用螺母和螺栓調(diào)節(jié)，可根據(jù)生產(chǎn)的需要改變機(jī)械手手臂的高度和長(zhǎng)度以及更換吸盤(pán)?；剞D(zhuǎn)角度：60度；送料頻率：50-60次/分；驅(qū)動(dòng)方式為氣壓傳動(dòng)；機(jī)械手的腰座回轉(zhuǎn)采用氣缸帶動(dòng)齒條齒輪驅(qū)動(dòng)；本設(shè)計(jì)主要對(duì)手部進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，腰座回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)氣缸。
關(guān)鍵詞：上料機(jī)械手；沖床上料；氣壓傳動(dòng)
Design for the punch manipulator
Abstract
Manipulator is imitate the part of the hand, according to the given program, track and for automatic mechanical device to realize the acquirement, handling and operation of the. The manipulator used in the industrial production is called "industrial manipulator". 60 tons punch the design of the manipulator according to the provisions of the action sequence, complete the design of manipulator, the working principle of the manipulator, the use range structure, gives the characteristic parameters. This 60 tons punch manipulator is mainly to press for feeding and from the material storage box material; mechanical hand catch weight 1Kg; 1 degrees of freedom three specific actions, degrees of freedom for rotation waist seat, using cylindrical coordinates; the remaining two of the mechanical hand movements and the expansion, the nut and bolt adjustment, according to production needs to change the mechanical arm height and length and replacing chuck. Because the rotary angle: 60 degrees; the feeding frequency: 50-60 times / points; drive mode for pneumatic drive; waist seat rotary manipulator cylinder is used to drive a rack gear drive; the design of the main part of the design and calculation, waist, rotating the rotary cylinder.
KeyWords：feeding manipulator；punch feeding；pneumatic transmission
目 錄
1 緒論 1
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介 1
1.2 機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 1
1.2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2機(jī)械手的應(yīng)用 4
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 7
2.1 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 7
2.1.1 機(jī)械手組成 7
2.1.2 機(jī)械手坐標(biāo)形式的確定 9
2.1.3上料機(jī)械手的組成及工作原理 9
2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
2.1.1 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定 12
2.1.2 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 15
2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
2.4 機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3 機(jī)械手理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1.1 確定氣壓系統(tǒng)基本方案 21
3.1.2 氣壓缸的總機(jī)械載荷的計(jì)算 22
3.1.3 氣缸強(qiáng)度的計(jì)算及校核 23
3.1.4 計(jì)算和選擇氣缸元件 25
3.2 吸盤(pán)的選擇和計(jì)算 25
總 結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 32
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 33
II
i
1 緒論
1 緒論
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介
工機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
1.2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。
1954年USA工程師德?tīng)栁肿钤缣岢鰴C(jī)械人的概念
1959年USA德?tīng)栁峙c英格伯制造了世界上的第一臺(tái)機(jī)械人
20
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1962年USA正式將機(jī)械人的使用性提出來(lái)且制造出類(lèi)似人的手臂 1967年JAN成立了人工手研究會(huì)并召開(kāi)了首屆機(jī)械手學(xué)術(shù)會(huì)
1970年在USA召開(kāi)了第一屆工業(yè)機(jī)械人學(xué)術(shù)會(huì)，并的到迅速普及
1973年辛辛那提公司制造出第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)控制的的工業(yè)機(jī)械人當(dāng)時(shí)是液壓驅(qū)動(dòng)能載重大成就45KG
到1980年在JAN得到普及并定為“機(jī)械人元年”此后在日本機(jī)械人得到了前所未有的發(fā)展與提升，在就是后來(lái)到臺(tái)灣再到大陸。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器把感覺(jué)到的信息反饋使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。
a. 目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是
(1) 研制有更多自由度的液壓機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。
(2) 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。
(3) 研制維修維護(hù)方便的通用機(jī)械手。
(4) 研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的通用機(jī)械手。
(5) 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽(tīng)筒和聲敏元件作為耳朵能聽(tīng)，用揚(yáng)聲器作為嘴能說(shuō)話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺(jué)和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊
語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。
(6) 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。
(7) 研制具有柔性系統(tǒng)的通用機(jī)械手
目前，在國(guó)外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式通用機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。如果把這種再現(xiàn)式通用機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫(xiě)入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來(lái)的更多的自由度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)具有越來(lái)越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來(lái)，我國(guó)一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方面處于領(lǐng)先地位。
b.機(jī)械手的研究意義
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在機(jī)械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機(jī)械加工以及裝配等工種。在其他部門(mén)，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用。
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
(1) 可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。
應(yīng)用機(jī)械手有利于在自動(dòng)生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
(2) 可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。
在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場(chǎng)合，用人手直接操作是很危險(xiǎn)的甚至是不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。
(3) 可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行作業(yè)，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
(4) 用液壓系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械手，比一般的機(jī)械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。
(5) 運(yùn)用機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時(shí)間，從而能大幅提高勞動(dòng)的生產(chǎn)率。
工業(yè)機(jī)械手在經(jīng)歷了長(zhǎng)期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)械手也被開(kāi)發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個(gè)行業(yè)。各種用途的特種機(jī)器手紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。
機(jī)械手并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
1.2.2機(jī)械手的應(yīng)用
機(jī)械手一般分為三類(lèi):
第一類(lèi)：是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二：是需要人工才做的稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)。先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)：是用專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工作程序 是固定的，因此是專(zhuān)用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類(lèi)通用機(jī)械手。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1985年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂。端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。
日本式工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。
目前工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路部門(mén)應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，以及國(guó)外機(jī)械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，分別介紹如下。
a.熱加工方面的應(yīng)用
熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。
機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動(dòng)條件。因此，國(guó)內(nèi)首先是采用鍛造操作機(jī)，裝取料機(jī)械手來(lái)代替人工操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。后來(lái)在精鍛機(jī)上采用機(jī)械手，使精短過(guò)程自動(dòng)化，代替人工喂料。
國(guó)外對(duì)鍛造機(jī)械手的研制工作十分重視，如美國(guó)采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在1300噸鍛壓機(jī)上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用Unimate型機(jī)械手在壓力機(jī)上鍛造曲軸；采用Versatran型機(jī)械手生產(chǎn)大型軸承環(huán)，機(jī)械手在兩臺(tái)液壓機(jī)間傳送軸承環(huán)的坯料。
鍛壓機(jī)械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當(dāng)于40CrNi2Mo的材料。同時(shí)用空氣、水噴霧冷卻。機(jī)械手外部裝有防熱護(hù)罩，內(nèi)部通水冷卻。
機(jī)械手在鍛造、熔煉方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已研制成功壓鑄機(jī)上下料機(jī)械手，上下箱、合箱、澆注機(jī)械手，以及鑄件表面清理機(jī)械手等。有些工廠還將機(jī)械手和造型機(jī)配合組成鑄造生產(chǎn)自動(dòng)線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。
國(guó)外對(duì)電爐煉鋼過(guò)程中采用機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究。由于強(qiáng)大電流的干擾，影響了機(jī)械手的采用，并由于熔渣和鋼水難以區(qū)別，往往在澆注過(guò)程中容易液、渣不分，需研究帶有特殊傳感裝置的機(jī)械手，才能實(shí)現(xiàn)澆注的機(jī)械化和自動(dòng)化。
b.冷加工方面
冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)和箱體類(lèi)零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，稱為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。
國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專(zhuān)業(yè)上采用機(jī)械手上下料、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。如在軸類(lèi)、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機(jī)床上配置了機(jī)械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機(jī)搖臂加工生產(chǎn)自動(dòng)線上采用單臂、雙臂圓柱式機(jī)械手，成為聯(lián)接工序、運(yùn)送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動(dòng)線上采用數(shù)控機(jī)械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動(dòng)線上機(jī)床工件的裝卸、運(yùn)輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。
國(guó)外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車(chē)軸、輪對(duì)等大、中批量零部件。并和機(jī)床設(shè)備共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
c.拆修裝方面
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)房中體力勞動(dòng)較多的部門(mén)之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門(mén)。已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清楚石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝像機(jī)和力的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。
綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)
60噸沖床自動(dòng)上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機(jī)械手,升料臺(tái)和滑道等裝置，是沖床自動(dòng)連續(xù)工作。該裝置的特點(diǎn)是由上料機(jī)械手來(lái)控制沖床動(dòng)作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)。
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
2.1.1 機(jī)械手組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測(cè)裝置
圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖
a．執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(1) 手部
即與物件接觸的部件。
(2) 手腕
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)械手變得更靈巧，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)在增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)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)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
(3) 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。
(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，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
(5) 行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。
(6) 機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
b．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。
c．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
d．位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
2.1.2 機(jī)械手坐標(biāo)形式的確定
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:
a．直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)。
b．圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
c．球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間。
d．關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)器人。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
2.1.3上料機(jī)械手的組成及工作原理
本氣壓傳動(dòng)上料機(jī)械手主要是從一個(gè)地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式?jīng)_壓機(jī)進(jìn)行加工。它的動(dòng)作順序是：待料（即原始位置，吸盤(pán)在升料臺(tái)的上方）→升料臺(tái)上升→吸盤(pán)抓取工件→手臂正轉(zhuǎn)→推料爪推料→吸盤(pán)放料→手臂反轉(zhuǎn)→沖頭下降（手臂反轉(zhuǎn)30°碰觸行程開(kāi)關(guān)）→制動(dòng)器接通，曲軸制動(dòng)→手臂復(fù)位。
圖2.1 自動(dòng)上料裝置與沖床配置圖
本題目規(guī)格參數(shù):
1. 抓重： 約1公斤
2. 自由度數(shù)： 1個(gè)
3.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
手臂回轉(zhuǎn)角度：600
手臂送料頻率：50～60次/分
4.驅(qū)動(dòng)方式： 氣壓
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量約1KG，且考慮到?jīng)_壓機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求和在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要1種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為手動(dòng)調(diào)節(jié),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為氣動(dòng)控制,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為1，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。
2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：
1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。
2) 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。
3) 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。
4) 腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。
5) 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。
6) 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
2.1.1 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定
a. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類(lèi)。
根據(jù)需要也可這三種基本類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類(lèi)基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。
(1) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。
(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中。
(3) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。
b. 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則
設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、機(jī)器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下：
(1) 物料搬運(yùn)（包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
(2) 用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
c.機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
氣動(dòng)機(jī)器人采用壓縮空氣為動(dòng)力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機(jī)器人作業(yè)位置，也可以單獨(dú)建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動(dòng)機(jī)器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡(jiǎn)便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機(jī)床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動(dòng)裝配等作業(yè)，食品包裝及運(yùn)輸，電子產(chǎn)品輸送、自動(dòng)插接，彈藥生產(chǎn)自動(dòng)化等方面獲得大量應(yīng)用。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實(shí)現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。這類(lèi)機(jī)器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；3-5個(gè)自由度；負(fù)荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復(fù)定位精度為+/-0.1-0.5mm?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大體由以下幾部分組成:
(1) 氣源
由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過(guò)濾器等。如果沒(méi)有壓縮空氣站的條件，可以按機(jī)器人及配套的其他氣動(dòng)設(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。
(2) 氣動(dòng)三聯(lián)件
由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨(dú)的氣源，氣動(dòng)三聯(lián)件是必備的。雖然用無(wú)潤(rùn)滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。
(3) 氣動(dòng)閥
氣動(dòng)閥的種類(lèi)很多，在工業(yè)機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。
(4) 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。直線氣缸分單動(dòng)式和雙動(dòng)式兩類(lèi)。除個(gè)別用單動(dòng)式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動(dòng)氣缸。為實(shí)現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點(diǎn)位置緩沖的氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)器人機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析進(jìn)行計(jì)算。
為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無(wú)接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動(dòng)系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過(guò)磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測(cè)。除了直線氣缸外，機(jī)器人中用得比較多還有有限角擺動(dòng)氣缸，這種擺動(dòng)缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。
(5) 制動(dòng)器
氣動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題很大程度上是如何實(shí)現(xiàn)停點(diǎn)的制動(dòng)。氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度容許達(dá)1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計(jì)算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時(shí)間70ms計(jì)，那么氣缸活塞兩個(gè)停點(diǎn)的距離約為70mm，兩個(gè)停點(diǎn)的步長(zhǎng)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。對(duì)于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時(shí)間較小，停點(diǎn)的步長(zhǎng)也要相應(yīng)縮短。因此對(duì)機(jī)器人一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多6-9個(gè)。為增加定位點(diǎn)數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動(dòng)的方法還有：反壓制動(dòng)，制動(dòng)裝置制動(dòng)。
(6) 限位器
氣動(dòng)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)和定位點(diǎn)到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開(kāi)關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無(wú)接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開(kāi)關(guān)是無(wú)接觸接近開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)的反映時(shí)間小于20ms，在機(jī)器人中應(yīng)用比較理想。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要將運(yùn)動(dòng)軸鎖緊。常用的限位機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)（插鎖，滑塊等）將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖定。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)。
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或氣壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)闅鈩?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。電機(jī)驅(qū)動(dòng)耗電量大，且動(dòng)力不如氣動(dòng)和液壓?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用氣壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.1.2 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
a．齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。
機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題：
(1) 齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來(lái)消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(2) 各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下：
1) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。
2) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。
具體而言：對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動(dòng)。對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開(kāi)始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。對(duì)以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。對(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。
b．諧波齒輪傳動(dòng)
諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。
c．螺旋傳動(dòng)
螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。
絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)：
(1) 滾珠絲杠的精度等級(jí)
(2) 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值
(3) 載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值
(4) 滾珠絲杠的工作壽命
(5) 滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速
(6) 滾珠絲杠的剛度
減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過(guò)工作載荷的1/3。
d．同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，無(wú)彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。
d．鋼帶傳動(dòng)
鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無(wú)間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變、傳動(dòng)效率高。
e．鏈傳動(dòng)
在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來(lái)傳動(dòng)。
f．鋼絲繩輪傳動(dòng)
鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了螺栓調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，同時(shí)較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于10），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；
1) 應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。
2) 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
3) 為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。
4) 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
5) 機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。
6) 機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
具體到本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用手動(dòng)螺栓調(diào)節(jié)，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了。
氣缸選擇單活塞桿的雙作用氣缸，他是氣缸中應(yīng)用最廣泛的一種。
活塞桿上的驅(qū)動(dòng)推力，驅(qū)動(dòng)拉力和活塞直徑的計(jì)算：
驅(qū)動(dòng)推力: (2.1)
驅(qū)動(dòng)拉力: (2.2)
兩式中：D-活塞直徑，mm
P-工作壓力，kg／mm2：
η-氣缸的效率，一般取η=0.8左右
d-活塞桿直徑，mm。
從兩式中將η=0.8帶入可得活塞直徑的計(jì)算公式，即：
D=1.27 mm (2.3)
D= mm (2.4)
以上兩式的計(jì)算結(jié)果應(yīng)取較大的那個(gè)D值作為活塞直徑（即缸筒內(nèi)徑）。（2.3）式中活塞桿的直徑d在初步計(jì)算時(shí)應(yīng)先估定算出D后亦應(yīng)按單作用氣缸所述的方法進(jìn)行圓整。
2.4 機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤(pán)等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤(pán)和電磁盤(pán)兩類(lèi)。
對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類(lèi)和帶孔的盤(pán)類(lèi)零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。電磁吸盤(pán)的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樽ト〉牧慵殁k金件毛坯或成品件,使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。
3 機(jī)械手理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算
3 機(jī)械手理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.1 確定氣壓系統(tǒng)基本方案
氣壓執(zhí)行元件大體分為氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)，氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，他可以輸出力，驅(qū)動(dòng)工作部分作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)。部分氣缸簡(jiǎn)要說(shuō)明見(jiàn)表3.1：
表3.1氣缸簡(jiǎn)要說(shuō)明表
名 稱
特 點(diǎn)
簡(jiǎn)要說(shuō)明
柱塞式氣缸
加工簡(jiǎn)單
單方向運(yùn)動(dòng)
活塞式氣缸
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
單方向運(yùn)動(dòng)
薄膜式氣缸
結(jié)構(gòu)緊湊
單向工作，無(wú)漏氣現(xiàn)象，行程短
普通氣缸
應(yīng)用廣發(fā)
壓縮空氣推動(dòng)活塞雙向運(yùn)動(dòng)
雙活塞桿氣缸
應(yīng)用廣泛
活塞雙向運(yùn)動(dòng)速度相等
不可調(diào)緩沖氣缸
帶緩沖作用
活塞臨近行程終端時(shí)，減速制動(dòng)，減速值不可調(diào)
可調(diào)緩沖氣缸
帶緩沖
緩沖值可根據(jù)需要調(diào)整
32
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
活塞帶導(dǎo)向桿氣缸
運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)
增加一根偏心導(dǎo)向桿，可防止活塞轉(zhuǎn)動(dòng)
串聯(lián)式氣缸
活塞桿輸出力可增大一倍
徑向結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸增大
本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有1個(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用氣缸帶動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。
3.1.2 氣壓缸的總機(jī)械載荷的計(jì)算
根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況氣壓缸所受的總機(jī)械載荷為
(3.1)
式中， -----為外加的載荷，因?yàn)樗椒较驘o(wú)外載荷，故為0；
------為活塞上所受的慣性力；
------為密封阻力；
------為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；
------為回氣被壓形成的阻力；
1) 的計(jì)算
(3.2)
式中，------為氣缸所要移動(dòng)的總重量，取為100KG；
------為重力加速度， ；
------為速度變化量；
------啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01-0.5，取0.2s
將各值帶入上式，得：=1.02
2) 的計(jì)算
(3.3)
式中，-----克服氣缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該氣缸工作壓力<16 ，查相關(guān)手冊(cè)取=0.2 ；
------為進(jìn)氣工作腔有效面積；
啟動(dòng)時(shí)： 565N
運(yùn)動(dòng)時(shí)： =283N
3) 的計(jì)算
機(jī)械手水平方向上有兩個(gè)導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為
(3.4)
式中，------為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG；
------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；
帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =98
4) 的計(jì)算
回氣背壓形成的阻力按下式計(jì)算
(3.5)
式中，-----為回氣背壓，一般為0.3-0.5 ，取=0.3
-----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為2；
將各值帶入上式有，
0啟動(dòng)時(shí) ： F=1088.02N
運(yùn)動(dòng)時(shí)： F=806.02N
3.1.3 氣缸強(qiáng)度的計(jì)算及校核
針對(duì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進(jìn)行氣缸缸徑的選擇，以盡量?jī)?yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性。至于氣缸的工作壓力和缸的工作速度，放在氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)外部的氣壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各氣缸的基本參數(shù)如下；
表3.2 氣壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑()
壁厚()
桿直徑()
行程()
工作壓力()
60
10
25
400
1
因?yàn)闅飧椎淖饔弥饕菍?shí)現(xiàn)腰座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因?yàn)闄C(jī)械手要求具有一定的柔性，水平氣壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時(shí)具有比較大的彎矩和比較長(zhǎng)的行程，這對(duì)氣壓缸的穩(wěn)定性和剛度問(wèn)題有較高的要求。
1) 缸筒壁厚的較核
當(dāng) D/時(shí)，氣壓缸壁厚的較核公式如下：
(3.6)
式中，----為缸筒內(nèi)徑；
----為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取為；
----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)
度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處取；
帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此氣壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。
2) 活塞桿直徑的較核
活塞桿直徑的較核公式為:
(3.7)
式中， -----為活塞桿上作用力；
-----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；
帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。
3.1.4 計(jì)算和選擇氣缸元件
氣動(dòng)馬達(dá)的計(jì)算
1）確定氣動(dòng)馬達(dá)的實(shí)際工作壓力
(3.8)
式中，-------計(jì)算工作壓力，前以定為；
------對(duì)于進(jìn)氣口采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5～1.5），這里取為1。
因此，可以確定氣動(dòng)馬達(dá)的實(shí)際工作壓力為
(3.9)
2） 確定氣動(dòng)馬達(dá)的氣流量