简易机械手机械结构设计.doc

机电工程学院

《专业综合课程设计》
说 明 书

课题名称： 简易机械手机械机构设计
学生姓名： 沈柳根 学号： 20110611119
专 业： 机械电子工程 班级： 11机电
成 绩： 指导教师签字：

2015年
1月
5日

摘要
简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。
通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。
关键词：简易机械手；结构设计；气动

目 录
摘要 I
1 设计任务介绍及意义 1
1.1设计任务意义： 1
1.2设计任务要求介绍： 1
2 总体方案设计 3
2.1 结构分析 3
2.3 设计简介 3
3 机械传动结构设计 5
3.1传动结构总体设计 5
3.2手指气缸的设计 6
3.3纵向气缸的设计 12
3.4横向气缸的设计 13
4最终图纸 15
4.1装配图 15
5 总结 16
参考文献 17

1 设计任务介绍及意义
1.1设计任务意义：
通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：
1．培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。
2．通过设计，培养学生独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动化机械设计打下良好的基础。
3．培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。
4．树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风,同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。

1.2设计任务要求介绍：
1. 基本要求：
（1）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的装配图（A1一张）。
（2）根据要求，撰写设计说明书1份。
(3）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；
2．该机械手的功能：机械手的初始位置停在原点，启动后，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——再上升——左移八个动作，完成一个工作周期（如图 1 所示）。
3．任务要求：
执行元件：气动气缸；
运动方式：直角坐标；
4．主要设计参数参数：
气缸工作行程——400 mm；
运动负载质量——50 kg；
移动速度控制——0.2 m/s。

图 1 搬运任务

2 总体方案设计
2.1 结构分析
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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

1- 夹紧气缸； 2-纵向气缸 ；3-横向气缸； 4-常开手部
5-固定支架导轨（2个）；6-弹簧

图 2 方案一示意图
2.2 设计任务要求介绍
可以看出：图示为地面固定式，气缸2固定在地面上的固定台上，可以上下移动；

气缸3通过与导轨相连，可以在水平方向移动。气缸1采用的是靠弹簧恢复的单作用气缸，它与手爪构成了一套常闭式夹紧装置。

3 机械传动结构设计
3.1传动结构总体设计
本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是物品的抓紧和释放，气缸2的作用是实现物料纵向的提升与下降，气缸3的作用是实现物料的横向移动。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度
气缸的设计流程图如图4所示

图4 气缸设计流程图

气缸按结构特征分类如图 5

单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用 的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等， 活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。
单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。结合课程设计的方案，夹紧气缸1选择单作用气缸，依靠弹簧力恢复；纵向气缸2选择单作用气缸，靠重力恢复；横向气缸3选择双作用气缸

图5 气缸结构分类
3.2手指气缸的设计

图6 手指气缸结构图
（1）夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算：

式中 ——安全系数，通常取1.2-2.0；
——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算

其中 a——运载工件时重力方向的最大升加速度
g——重力加速度 g=9.8
——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。

f——摩擦系数

G——选取工件所受的重力（N）
设为1.5，

将已知条件代入得：

（2）气缸的内径
根据手指的几何关系得：

由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：

由《液压与气压传动技术》表11-1：取β=0.45

根据气缸的结构得：
D--活塞直径，m；
d--活塞杆直径，m；
P--许用压力,；
--弹簧反作用力，N

估算时取d=0.3D,=40N, P=0.5。代入上式得：

按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm

（3）活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm

(4) 缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=0.20D= 0.20x80=16mm
由于气缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=236 mm
（5）气缸筒的壁厚的确定:
由《液压气动技术速查手册》知：一般气缸缸筒与内径之比
δ/D≤1/10 ，
其壁厚通常按薄壁筒公式计算：
--实验压力，一般取=1.5p(p为气缸工作压力)，；
--缸筒材料的许用应力，，=/S；
--材料的抗拉强度，；
S--安全系数，S>=6~8。

通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。

假设所选材料为无缝钢管，则由表知

(6)气缸耗气量的计算：
气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。耗气量大小与气缸的性能无关， 但它是选择空压机排气量的重要依据。

(7)气缸的进、排气口计算
通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据ISO-15552、ISO-7180。气缸的进、排气口的直径见下表（ISO标准规定）

气缸直径
32
40
50
63
80
气口尺寸

汽缸直径
100
125
150
200
250
气口尺寸

汽缸直径
320
气口尺寸

查此表可知，气缸的进、排气口的规格为
3.3纵向气缸的设计
由设计方案可以知道，纵向气缸1不仅要承受负载50kg的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg。则纵向气缸实际的负载F=539N。进一步求的理论负载

（1）气缸的内径
由公式得：

查表后得：D=63mm。
（2）活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18.9 mm
查表后得：d=20mm
(3) 缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=(0.200.25)D= 0.2063=13mm
由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=433 mm
（4）气缸筒的壁厚的确定
选用无缝钢管为材料，查表得：

(5) 气缸耗气量的计算

(6)气缸的进、排气口计算
查表可知，气缸的进、排气口的规格为
3.4横向气缸的设计
(1)气缸的内径

根据机械手结构关系得：

取：μ=0.2，g=9.8
得：F=130(近似)

根据气缸的结构得：

估算时取d=0.3D,P=0.5。代入上式得：

按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=50 mm
(2)活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=15 mm
查表得：d=16mm
（3）缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=0.20D= 0.20X0.5=10mm
由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=430 mm
（4）气缸筒的壁厚的确定:
假设所选材料为无缝钢管，则由表知

（5）气缸耗气量的计算：

（6）气缸的进、排气口计算
查表可知，气缸的进、排气口的规格为

4最终图纸
4.1装配图
最终图纸如图7所示：

图7 装配图

5 总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。通过此次课程设计,暴露出了平时学习当中存在的问题:学习不够深入,了解不透彻,导致在做课程

设计的过程中,经常对一些基本的知识点弄混.这次课程设计是毕业设计前最后的一次练兵,对我来说非常有意义。
机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。
回顾起此次课程设计，令我仍感慨颇多。一周的时间说长不长，说短也不短，在这一周里让我学会了本课程在实际生活中的用途，学会了同学之间的互助团结，学会了怎样克服困难。付出了不少时间和精力，但学到了很多很多东西。通过本次课程设计，从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。我在老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，这对我今后进一步学习这方面的知识有极大的帮助。在此谨向各位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过此次课程设计的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至设计顺利完成。在此完成之际，想想从开始进入课题到顺利完成的过程中，老师、同学、朋友给予我的无言帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

参考文献
[1].成大先.机械设计手册气压传动单行本. 北京：化学工业出版社.2010
[2].张利平.液压与气压设计手册. 北京：机械工业出版社.2007
[3].程志红.机械设计.南京：东南大学出版社. 2006
[4].邱士安 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 2005

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）