优质毕业设计真空吸盘式气动机械手的设计.doc

一 绪论 （一）气压传动技术研究发展动向 伴随科学技术不停进步，现在气压技术正向着高压、高速、大功率、高效、高度集成化方向发展。即使气压传动技术方便简练，不过气压传动中存在着部分亟待处理问题，如：气压系统工作时稳定性、工作介质泄漏、气压冲击对设备可靠性影响等等，这些问题全部是气压传动技术需要研究和处理。任何技术改革和创新，全部必需以稳定、可靠工作为前提，这么才含有它实际意义。 （二）气压传动技术应用机械制造业，其中包含机械加工生产线上工件装夹及搬送，铸造生产线上造型、捣固、合箱等。在汽车制造中，汽车自动化生产线、车体部件自动搬运和固定、自动焊接等。电子IC及电器行业，如用于硅片搬运，元器件插装和锡焊，家用电器组装等。石油、化工业 用管道输送介质自动化步骤绝大多数采取气动控制，如石油提炼加工、气体加工、化肥生产等。轻工食品包装业，其中包含多种半自动或全自动包装生产线，比如：酒类、油类、煤气罐装，多种食品包装等。机器人，比如装配机器人，喷漆机器人，搬运机器人和爬墙、焊接机器人等。其它，如车辆刹车装置，车门开闭装置，颗粒物质筛选，鱼雷导弹自动控制装置等。现在多种气动工具广泛使用，也是气动技术应用一个组成部分。 （三）气压传动特点 气压传动优点 ：以空气为工作介质，工作介质取得比较轻易，用后空气排到大气中，处理方便，和液压传动相比无须设置回收油箱和管道；因空气粘度很小（约为液压油动力粘度万分之一），其损失也很小，所方便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；和液压传动相比，气压传动动作快速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题；工作环境适应性好，尤其在易燃、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；成本低，过载能自动保护。 气压传动缺点：因为空气含有可压缩性，所以工作速度稳定性稍差，但采取气液联动装置会得到较满意效果；因工作压力低（通常为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1040kN；噪声较大，在高速排气时要加消声器；气动装置中气信号传输速度在声速以内比电子及光速慢，所以，气动控制系统不宜用于元件级数过多复杂回路。 （四）机械手组成工业机械手由实施机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1 实施机构（1） 手部 即直接和工件接触部分，通常是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；依据需要分为外抓式和内抓式两种；也能够用负压式或真空式空气吸盘（关键用于吸冷，光滑表面零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常见有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部部件，并可用来调整被抓物体方位，以扩大机械手动作范围，并使机械手变更灵巧，适应性更强。手腕有独立自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。通常腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单专用机械手，为了简化结构，能够不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。现在，应用最为广泛手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它结构紧凑，灵巧但回转角度小（通常小于 2700）,而且要求严格密封，不然就难确保稳定输出扭距。所以在要求较大回转角情况下，采取齿条传动或链轮和轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手关键握持部件。它作用是支撑腕部和手部（包含工作或夹具），并带动她们做空间运动。臂部运动目标：把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部姿态（方位），则用腕部自由度加以实现。所以，通常来说臂部含有三个自由度才能满足基础要求，即手臂伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂多种运动通常见驱动机构（如液压缸或气缸）和多种传动机构来实现，从臂部受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件静、动载荷，而且本身运动较为多，受力复杂。所以，它结构、工作范围、灵活性和抓重大小和定位精度直接影响机械手工作性能。（4）行走机构 有工业机械手带有行走机构，中国正处于仿真阶段。驱动机构是工业机械手关键组成部分。依据动力源不一样, 工业机械手驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采取气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、可取得较大输出功率、气体不可压缩，压力、流量易于控制，反应灵敏、控位正确等优异特点。3 控制系统分类在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种方法。大多数用插销板进行点位控制，也有采取可编程序控制器控制、微型计算机控制，采取凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等统计程序。关键控制是坐标位置，并注意其加速度特征。 （五）本课题设计关键内容本设计课题名称为真空吸盘式气动机械手设计，设计一套真空吸盘式气动机械手，它采取圆柱坐标型运动形式，气压传动，PLC系统控制。功效原理优异，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。 性能特点：机械手动作循环（工件平放）：真空吸盘吸收工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。关键技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180；定位方法为定位块；控制方法为点位式、PLC控制；驱动方法为气压传动系统。 （六）设计基础思绪、方案分析、了解设计任务书要求查阅相关资料初步拟订设计方案设计方案对比并确定最好方案参数设计计算装配图草图零件设计零件草图绘制装配图绘制零件图编写设计说明书 （七）设计标准这次毕业设计设计标准是：以任务书所要求具体设计要求为根本设计目标，充足考虑机械手工作环境和工艺步骤具体要求。在满足工艺要求基础上，尽可能使结构简练，尽可能采取标准化、模块化通用元配件，以降低成本，同时提升可靠性。本着科学经济和满足生产要求设计标准，同时也考虑此次设计是毕业设计特点，将大学期间所学知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多综合利用到设计中，使得经过此次设计对大学阶段知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间客观实际，充足发挥个人能动性，脚扎实地，实事求是做好此次设计。二 真空吸盘式气动机械手总体设计 （一）真空吸盘式气动机械手设计关键技术参数设计一套真空吸盘式气动机械手，它采取圆柱坐标型运动形式，气压传动，PLC系统控制。功效原理优异，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求，关键技术参数见表2.1：表2.1 关键技术参数吸盘吸持力 2kg运动形式 圆柱坐标手臂伸缩行程范围 0-300mm手臂升降行程范围 0-200mm手臂回转行程范围 0-180定位方法 定位块控制方法 点位式、PLC控制驱动方法 气压传动系统自由度数 3 （二）真空吸盘式气动机械手工作原理分析真空吸盘式气动机械手功效原理图2.1所表示图2.1 功效原理图真空吸盘工作原理：真空产生能够是由电动机、真空泵和多种真空器件所组成真空系统来提供，也能够由压缩空气经过真空发生器所产生二次真空来提供。前者需要配置独立真空系统，以后者能够利用通常生产过程中已经有空气压缩系统。所以，尤其在多种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器原理是：压缩空气经过收缩喷嘴后，从喷嘴喷射出高速气流卷吸周围静止流体和它一起向前流动，从而在接收室形成负压，诱导二次真空。这么真空系统，尤其对于不需要大流量真空工况条件更显出它优越性。用真空吸盘来抓取物体，能够依据物体不一样形状来实现任意角度传输。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘受力进行动态分析。 （三）真空吸盘式气动机械手工艺方案设计一套真空吸盘式气动机械手，它采取圆柱坐标型运动形式，气压传动，PLC系统控制。功效原理优异，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。 关键技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180；定位方法为定位块；控制方法为点位式、PLC控制；驱动方法为气压传动系统。机械手动作循环（工件平放）：真空吸盘吸收工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。 （四）真空吸盘式气动机械手方案设计（1） 对于真空吸盘式气动机械手，其工件运动只需较少自由度就能完成。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂，故采取气压传动方法。（2） 本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方法中PLC程序控制方法，这么能够使机械手结构愈加紧凑和完美。（3） 本机械手实施系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。依据本组合机床加工工件特征，选择气吸式（真空吸盘式）手部结构。（4）常见工业机械手依据手臂动作形态,按坐标形式大致能够分为以下4种: 直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标(极坐标)型机械手、多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且依据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂运动形式及其组合情况，采取圆柱坐标形式。所以方案确定机械手采取气压传动方法，PLC控制，真空吸盘式手部结构，圆柱坐标形式。三 真空元件设计及参数计算 （一）真空吸盘吸持工件动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案例越来越多。柔而有弹性吸盘能够很方便地实现诸如工件吸持、脱开、传输等搬运功效 ,并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持 ,真空产生能够是由电动机、真空泵和多种真空器件所组成真空系统来提供，也能够由压缩空气经过真空发生器所产生二次真空来提供。前者需要配置独力真空系统 ,以后者能够利用通常生产过程中已经有空气压缩系统。所以 ,尤其在多种包装作业过程中,利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器原理是 压空气经过收缩喷腾后 ,从喷嘴喷射出高速气流卷吸周围静止流体和它一起向前流动 ,从而在接收室形成负压 ,诱导二次真空。这么真空系统,尤其对于不需要大流量真空工况条件更显出它优越性。真空发生器结构及参数设计 ,能够依据需真空度设计出所需真空发生器。用真空吸盘来抓取物体 ,能够依据物体不一样形状实现任意角度传输。 在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘受力分析进行动态分析。图3.1所表示为真空吸盘用于水平位置工作时安装方位。在图3.1吸盘水平安装时 ,除了要吸持住工件负载外 ,还应该考虑吸盘移动时因工件惯性力对吸力影响。图3.1 真空吸盘安装位置 （二）真空吸盘选择为了确保真空吸盘能完成给定任务,需考虑一定安全系数,依据理论和实践经验,真空吸盘安全系数N通常取2.5，所以,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（cm）0.7851.332.013.144.918.0412.619.6吸盘垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.145.328.0412.5619.6432.1650.478.4由上表可知，当工件重量为2kg时，许用提升重量为19.6N，欲使安全系数达成要求，只需满足 （3.1）即可，由表3.1选择吸盘直径为40mm即可满足考虑到吸附物可吸附尺寸（面），所选吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘外径将增加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。变形度依据吸盘材质，形状，橡胶硬度而有区分，所以，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包含变形部分。吸盘直径虽表示吸盘外径，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。缩小后面积即称为有效吸附面积，此时吸盘直径即称为有效吸盘直径。依据真空压力，吸盘橡胶厚度和和吸附物摩擦系数等不一样，有效吸盘直径也会有差异，通常情况可预估会缩小10%。 综合上述，所选吸盘参数为：吸盘直径D=40mm， 吸盘吸持面积A=12.6，吸盘个数n=1，真空压力P=0.04MPa。（三）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，安装和使用全部很方便，所以应用很广泛，真空发生器产生真空度可达成88kpa，真空发生器工作原理图3.2所表示。它是由先收缩后扩张拉瓦尔喷管1、负压腔2、和接收管3等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气口供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。因为气体粘性，高速射流卷吸走负压腔内气体，使该腔形成很低真空度，在真空口A处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸收物体。图3.2 真空发生器结构原理图真空发生器结构简单，无可动机械部件，故使用寿命长。真空发生器耗气量是指供给拉伐尔喷管流量，它不仅由喷嘴直径决定，还和供气压力相关。同意喷嘴直径，其耗气量随供气压力增加而增加，图3.3所表示。喷嘴直径是选择真空发生器关键依据。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 真空发生器耗气量和工作压力关系图3.4所表示为真空度特征曲线。由图可知，真空度存在最大值Pzmax，当超出最大值后，即使增加供气压力，真空度不仅没有增加反而下降。实际使用时，提议真空度选为（63%-95%）Pzmax。图3.4 真空发生器耗气量和工作压力关系在真空吸盘选择时，已确定真空压力为0.04Mpa，由图3.3、3.4可得，该真空发生器耗气量和真空度分别取5L/min，-0.002Mpa。 （四）其它元器件选择一个完整真空吸附系统还包含真空过滤器 、 供给阀 、 破坏阀等 ， 真空过滤器选择ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空发生器最大流量 24L/min， 满足需求， 真空节流阀选择KLA系列单向节流KLA-L6，公称通径是6mm，有效截流面大于5mm2,泄露量小于50cm3/min,单向阀开启压力为0.05Mpa。供给阀设置在压力管路中，选择通常换向阀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4倍，供气口得连接管内径大于喷嘴直径4倍，降低供给回路压力损失。真空换向阀设置在真空回路中，必需选择能用在真空条件下换向阀，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系列多个流体二位二通先导膜片式电磁阀，型号：0927000，接管螺纹1/4in,通径8mm,换向频率大于0.5HZ。 四 机械手控制系统设计 （一）机械手电气控制系统概述应用PLC作为电气控制，能够简化控制线路，降低故障率，实现机械手多个动作线路。通常机械手有手动和自动控制之分，手动控制关键用来硬件调试。自动控制中也分单步、单周期、周期循环等工作状态。其控制要求为：按下开启按钮，检测气动机械手是否处于原位，假如不是，按下复位按钮回到原位，假如是，则检测气动机械手处于何种工作状态下，单步意味着每按下一次开启按钮，机械手实施一步动作；单周期指实施一次动作循环，最终回到初始位置；周期循环是机械手反复不停实施动作，直到按下复位或停止按钮为止。依据机械手硬件结构，PLC输入信号有：工作状态选择开关输入、开启停止按钮输入、磁性靠近开关信号输入、手动开关输入及程序选择开关输入共22个输入点；机械手输出信号有：驱动4个气缸电磁阀线圈4个，控制真空吸盘电磁阀线圈2个，原点指示灯1个，共七个输出点。选择输入点大于22点，输出大于7点PLC。机械手定位系统采取定位块定位，在设定位置装置定位块。并为了达成缓冲目标，在满足工作要求前提下，设计尽可能轻零部件。比如将一些铸钢件改用铝合金制造，或将部分实心零件做成空心，以此来减轻总质量。采取PLC程序控制，控制系统选择三菱企业FX1S系列PLC控制器。另外机械手还可进行回零等，其有手动控制方法和全自动控制。自动生产线机械手关键参数:吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩最大行程300mm；手臂升降最大行程为200mm；手臂回转最大行程180度，手臂升降速度为150mm/s；大臂回转角度范围0-90，大臂回转速度为135/s；定位方法为定位块；定位精度为；控制方法为点位式、PLC控制；驱动方法为气压系统。（二）机械手电气控制程序表4.1机械手自动控制程序步序号指令数据步序号指令数据步序号指令数据1LDX40017ANDT453K1.52ANIX40118ANIT45431OUTY4393ANIT45019OUTY43532OUTT5504OUTY43020OUTT454K25OUTT450K1.533ANDT550K221ANDT45434ANIT5516ANDT45022ANIT45535OUTY5307ANIT45123OUTY43636OUTT5518OUTY43224OUTT455K1.59OUTT451K237ANDX500K0.525ANDT45538ANIT55210ANDT45126ANIT45639OUTY53111ANIT45227OUTY43740OUTY53213OUTY43328OUTT45641OUTT55214OUTT452K0.5K3K1.527ANDT45615OUTY43428ANIT45716OUTT45329OUTY438K230OUTT457 （三）机械手电气控制系统图1自动控制系统图 图4.1 机械手自动控制系统图 上图为机械手自控控制系统图，她指令采取FX1S专用PLC控制器控制，她工作次序是根据上图中大臂下降开始直至最终一次大臂回转为完成一个完整工作周期，每个工作段所用时间在上图均已标明，从系统开启到结束程序，除非系统受到X500停车指令，不然系统均经过各个时间控制器来完成正确控制。2 手动控制系统图 图4.2 机械手手动控制系统图 上图为本机械手在进行试运行和系统检验和手动控制完成所需动作而设计手动控制系统，工作步骤在上图已经清楚标明。3 机械手自动方法状态图 机械手自动方法状态图图4.3所表示，其中S2是自动方法初始状态。状态转移开始辅助继电器M8041，原点位置条件辅助继电器M8044状态全部是在初始化程序中设定，在自动系统程序运行中不再改变。 图4.3 机械手自动方法状态图4 机械手独立控制面板设计图机械手控制独立控制面板图4.4所表示 图4.4 机械手控制面板 面板中开启和急停按钮和PLC运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外部负载电源。本机械手由手动和自动两种运行状态控制系统，所以应能依据所设置运行方法自动进入，这就要求系统应能自动设定和各个运行方法对应初始状态，其对应输入设定按钮在图4.4已经标定。五 机械手气压传动系统设计 （一）机械手工作原理分析真空吸盘式气动机械手是自动化流水生产线中广泛应用工件搬运机械设备，它是流水线作业中不可或缺运输单元。气动机械手要求气压系统完成关键动作是（工件平放）：吸持工件-大臂上升200mm-大臂回转180-手臂延伸300mm-放下工件-手臂收缩300mm-大臂反转180-大臂下降200mm。整个周期要完成全部动作必需由3个气压缸协调动作才能做到。 （二）气压传动系统工作原理图图5.1所表示为该机械手气压传动系统工作原理图图5.1 机械手气压传动系统工作原理图1-气源 2-空气过滤器 5-单向阀 6、9-两位二通阀 7-先导型阀 8-三位四通电磁阀 10-节流阀 11-调速阀其它元件已在上图说明。 （三）各缸运动过程分析1、吸持工件 在整机开启情况下，气体流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT通电吸合，此时此二位四通电磁阀处于右位，气体直接流进右腔，从而拉动滑槽杠杆式结构吸持工件。2、大臂上升 PLC指令控制电磁铁4DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所表示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀组成调速阀，接着流向减压阀和单向阀组成复合阀，然后直接流向大臂升降气压缸下腔，从而推进机械手做上升运动。3、大臂回转 PLC指令控制电磁铁6DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图5.1所表示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀组成调速阀，然后直接流向大臂回转气压缸，从而推进机械手大臂做左右摆动运动。4、手臂延伸 PLC指令控制电磁铁1DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所表示从左到右第三个三位四通电磁阀右位，然后流经节流阀和单向阀组成调速阀，然后直接流向手臂伸缩气压缸，从而推进机械手手臂做伸缩运动。5、放松工件 气体流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT断电跳开，此时此二位四通电磁阀处于左位，气体直接流左腔，从而放松工件。6、手臂收缩 PLC指令控制电磁铁2DT通电吸合气体经单向阀5，流经图5.1所表示从左到右第三个三位四通电磁阀左位，然后直接流向手臂伸缩气压缸，从而推进机械手手臂做收缩运动。7、大臂回转 PLC指令控制电磁铁7DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所表示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，接着气体流经节流阀和单向阀组成调速阀，然后直接流向大臂回转气压缸，从而推进机械手大臂做左右摆动运动。8、大臂下降 PLC指令控制电磁铁5DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所表示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀组成调速阀，然后直接流向大臂升降气压缸上腔，从而推进机械手做下降运动。至此就完成整个机械手循环运动，假如此时接到停止指令，则10DT和11DT同时通电，电磁铁将电磁换向阀到上位，此时气压系统卸压，同时上面各个电磁铁同时断电回到默认位置，完成卸荷。电磁铁动作次序表以下：六 机械手臂部设计及参数计算手臂部件是机械手关键握持部件。它作用是支撑腕部和手部（包含工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包含3个运动：伸缩、翻转和升降。臂部运动目标：把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部姿态（方位），则用腕部自由度加以实现。所以，通常来说臂部应该含有3个自由度才能满足基础要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂多种运动通常见驱动机构和多种传动机构来实现，从臂部受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件静、动载荷，而且本身运动较多。所以，它结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手工作性能。因为本设计需要，手部、腕部无需设计，只需设计手臂即可。 （一） 臂部设计基础要求臂部应承载能力大、刚度好、自重轻：依据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸； 提升支撑刚度和合理选择支撑点距离；合理部署作用力位置和方向；注意简化结构；提升配合精度。臂部运动速度要高，惯性要小：机械手手部运动速度是机械手关键参数之一，它反应机械手生产水平。对于高速度运动机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s,最大回转角速度设计在180/s内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在90/s。在速度和回转角速度一定情况下，减小本身重量是减小惯性最有效，最直接措施，所以，机械手臂部要尽可能轻。手臂动作应该灵活：为降低手臂运动之间摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦替换滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件、导向件和定位件部署合理，使手臂运动尽可能平衡，以降低对升降支撑轴线偏心力矩，尤其要预防发生机构卡死（自锁现象）。为此，必需计算使之满足不自锁条件。总结：以上要求是相互制约，应该综合考虑这些问题，只有这么，才能设计出完美、性能良好机械手。 （二）手臂经典机构和结构选择1 手臂经典运动机构常见手臂伸缩机构有以下多个：（1） 双导杆手臂伸缩机构。（2） 手臂经典运动形式有：直线运动，如手臂伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂左右摆动，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 手臂运动机构选择经过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选择双作用气压缸。 （三）手臂直线运动驱动力计算优异行粗略估算，或类比同类结构，依据运动参数初步确定相关机构关键尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终结构。做水平伸缩直线运动气压缸驱动力依据气压缸运动时所克服摩擦、惯性等多个方面阻力，来确定来确定气压缸所需要驱动力。气压压缸活塞驱动力计算。 （6.1）摩擦力计算 不一样配置和不一样导向截面形状，其摩擦阻力是不一样，要依据具体情况进行估算。下图是机械手手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。因为导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 得 （6.2） （6.3） （6.4） 式中 参与运动零部件所受总重力（含工件）（N）； L手臂和运动零部件总重量重心到导向支撑前端距离（mm） a导向支撑长度（mm）; 当量摩擦系数，其值和导向支撑截面相关。对于圆柱面： 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取u=0.10.15钢对铸铁：取u=0.180.3计算：导向杆材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m将相关数据代入进行计算手臂惯性力计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力时候,设置开启时间，开启速度V=V=, （6.5） 不一样密封圈其摩擦阻力不一样，在手臂设计中，采取O型密封，当气压缸工作压力小于10Mpa。气缸处密封总摩擦阻力能够近似为：。经过以上分析计算最终计算出气压缸驱动力： （四）气压缸工作压力和结构确实定经过上面计算，确定了气压缸驱动力F=1700N，选择气压缸工作压力P=0.04MPa（1） 确定气压缸结构尺寸：气压缸内径计算，图6.2所表示图6.2 双作用气压缸示意图当气进入无杆腔，当气进入有杆腔中， 气压缸有效面积：故 （无杆腔） (6.6) （有杆腔） (6.7)F=1625.7N，=，选择机械效率将相关数据代入： 选择标准气压缸内径系列及机械工作范围冗余设计，选择D=40mm.（2） 气压缸外径设计依据装配等原因，考虑到气压缸臂厚在7mm，所以该气压缸外径为54mm.（3） 活塞杆计算校核活塞杆尺寸要满足活塞（或气压缸）运动要求和强度要求。对于杆长L大于直径d15倍以上，按拉、压强度计算： （6.8） 设计中活塞杆取材料为45刚，故，活塞直径d=20mm,现在进行校核。结论： 活塞杆强度足够。 （五）气压缸尺寸参数确实定依据夹紧力和驱动力计算，初步确定了气压缸内径为40mm，行程为500mm；下面要确定气压缸缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上多种结构需要来确定，即： L=l+B+A+M+C （6.9）式中：l为活塞最大工作行程；B为活塞宽度，通常为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方法定；C为其它长度，在此因为定位方法为定位块式，需要保留一定缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取60mm。通常缸筒长度最好不超出内径20倍。另外，气压缸结构尺寸还有最小导向长度H。 所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm 气压缸缸底厚度计算，本气压缸选择平行缸底，且缸底无气孔时，其中h为缸底厚度；为气压缸内径；为试验压力；为缸底材料许用应力，气压缸选择缸体材料为45号钢，。 ，所以选择厚度。七 齿轮齿条机构齿轮齿条在传动过程中会有自己所独有运动特点:齿轮传动用来传输任意两轴间运动和动力，其圆周速度可达成300m/s，传输功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广一个机械传动。 齿轮齿条传动和带传动相比关键有以下优点： （1）传输动力大、效齿轮传动特点。齿轮传动用来传输任意两轴间运动和动力，其圆周速度可达成300m/s，传输功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广一个机械传动。 （2） 寿命长，工作平稳，可靠性高； （3） 能确保恒定传动比，能传输任意夹角两轴间运动。 齿轮传动和带传动相比关键缺点有： （1）制造、安装精度要求较高，所以成本也较高； （2）不宜作远距离传动。因为齿轮齿条传动，所以传动比为1。机身重量不大，选择输入功率为0.8Kw，转速为12r/min。齿轮齿条参数设计以下：（1）材料选择 由机械设计（第八版）表10-1选择齿轮材料为Q235，齿齿面硬度为240HBS；齿条材料味Q235，齿条齿面硬度为280HBS，。1）齿轮齿数，齿条齿数按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （7.1）(2) 确定公式内各计算数值1）试选载荷系数2）计算齿轮转矩 3)选齿宽系数4)由机械设计（第八版）图10-30选择区域系数5)由机械设计（第八版）图10-26查得，则6)由机械设计（第八版）表10-6查得材料弹性影响系数7）由机械设计（第八版）图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲惫强度极限，大齿轮接触疲惫强度极限由机械设计（第八版）图10-19取接触疲惫寿命系数8）计算接触疲惫许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得（3）计算1）试算齿轮分度圆直径，由计算公式得 2)计算圆周速度v3)计算齿宽b及模数 4)计算载荷系数依据，8级精度，由机械设计（第八版）图10-8查得动载系数由机械设计（第八版）表10-3查得由机械设计（第八版）表10-2查得使用系数由机械设计（第八版）表10-13查得由机械设计（第八版）表10-4查得接触强度载荷系数5）按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，得6)计算模数7)按齿根弯曲强度设计由式 (7.2)（4）确定计算参数1)确定载荷系数2)依据重合度，由机械设计（第八版）图10-28查得螺旋角影响系数3) 由机械设计（第八版）表10-5查得齿形系数4) 应力校正系数5） 由机械设计（第八版）图10-20C查齿轮弯曲疲惫强度极限为500MPa，齿条弯曲强度极限为380MPa。6） 由机械设计（第八版）图10-18取弯曲疲惫强度极限，取安全疲惫系数S=1.4 7） 计算齿轮、齿条并加以比较齿轮数值大。（5）设计计算 对比计算结果，