數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 生：喻 攀 學(xué) 號(hào)：09011030127 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)2009.1 指導(dǎo)教師：符純?nèi)A 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 二O一三年六月 四 川 理 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)（論文）題目： 數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì) 班級(jí)：

2、2009.1學(xué)號(hào)： 09011030127 學(xué)生： 喻攀 指導(dǎo)教師： 符純?nèi)A 接受任務(wù)時(shí)間 2013.03.04 系主任 （簽名）　　院長(zhǎng) （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容： ① 氣動(dòng)元件完成機(jī)械手上下料要求； ② 三個(gè)自由度，z軸移動(dòng)200mm，x軸移動(dòng)1000，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)90度 ③ 工件質(zhì)量小于5kg 基本要求： ① 機(jī)械手裝配圖一份； ② 零件圖兩份； ③ 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

3、一份； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說(shuō)明 《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》 《氣缸的工作原理》 3．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱、收集資料，完成開(kāi)題報(bào)告 2013.03.04-2013.03.18 2 完成所有設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算任務(wù) 2013.03.19-2013.04.06 3 完成所有畢業(yè)設(shè)計(jì)的圖紙 2013.04.07-2013.05.25 4 修改、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫，并提交 2013.05.26-2013.06.01 5 畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和畢業(yè)答辯 2013.06.02-2013.06.11 摘要 摘

4、要 本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)數(shù)控車床加工轉(zhuǎn)子的機(jī)械手的上下料過(guò)程，分析工件由生產(chǎn)線到工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。主要采用氣動(dòng)元件，用氣爪，擺動(dòng)氣缸等實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取和翻轉(zhuǎn)功能，用伺服電機(jī)和滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫移，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方案。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手用于數(shù)控車床的設(shè)計(jì)步驟和方法有系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，能夠根據(jù)其動(dòng)作設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)械手，并且對(duì)氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理全面的掌握。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；機(jī)械手；氣動(dòng)元件；伺服電機(jī) I ABSTRACT ABSTRACT This design mainly aims at the manipulator of the CNC lathe

5、 processing rotor of loading process, and analysis the motion process of workpiece by the production line to the workbench. Mainly adopts pneumatic components, gas, manipulator grasping and flip functions such as oscillating cylinder, servo motor and ball screw is used to implement manipulator trans

6、verse shift, in order to realize the movement of the scheme. Through the design of manipulator used in CNC lathe design steps and methods of systematic knowledge, according to its design manipulator that economy is applicable, and the cylinder of the structure and working principle of the comprehens

7、ive control. Keywords: Numerical control lathe；manipulator；Pneumatic components；Servo motor 目錄 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1.1機(jī)械手簡(jiǎn)介 1 1.2機(jī)械手的組成 2 1.3機(jī)械手的分類 3 1.4機(jī)械手在數(shù)控車床上的運(yùn)用 4 1.5機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.6機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 5 1.7課題的來(lái)源及研究意義 6 第二章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 7 2.1機(jī)械手方案設(shè)計(jì)原則 7 2.1.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 7 2.1.2.機(jī)

8、械手部件選材原則 7 2.2機(jī)械手上下料系統(tǒng)要求 8 2.3機(jī)械手動(dòng)作要求 8 2.4傳動(dòng)件和執(zhí)行元件的方案設(shè)計(jì) 9 第三章 各部分詳細(xì)設(shè)計(jì) 11 3.1氣壓傳動(dòng)簡(jiǎn)介 11 3.2氣缸的基本組成和原理 12 3.3氣缸的選擇原則方法 13 3.4氣爪的設(shè)計(jì) 14 3.4.1氣爪的介紹 14 3.4.2氣缸的選型 14 3.5旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì) 16 3.5.1傳動(dòng)件的選擇 16 3.5.2齒輪齒條式氣缸的設(shè)計(jì) 18 3.6連接座的設(shè)計(jì) 22 3.6.1連接座整體設(shè)計(jì) 22 3.6.2氣爪和連接座螺釘?shù)暮?jiǎn)單校核 23 3.7上下移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 24 3.7.1上下

9、移動(dòng)裝置的選擇 24 3.7.2雙軸氣缸的計(jì)算 25 3.8水平移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 26 3.8.1移動(dòng)裝置的選擇 26 3.8.2滾珠絲桿的選擇 27 3.8.3伺服電機(jī)的選型 28 3.8.4聯(lián)軸器的選擇 29 3.8.5導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 30 第四章：公差配合的選取 31 4.1配合的簡(jiǎn)介 31 4.2各部件配合的選取 31 4.2.1氣爪公差配合的選取 31 4.2.2連接座公差配合的選取 32 4.2.3旋轉(zhuǎn)裝置公差配合的選取 32 4.2.4雙軸氣缸的公差配合選取 33 4.2.5 聯(lián)軸器的公差配合選取 33 第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 34 第六章 結(jié)論 40 參

10、考文獻(xiàn) 41 致 謝 42 1 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 1.1機(jī)械手簡(jiǎn)介 在機(jī)械行業(yè)中，隨著生產(chǎn)技術(shù)要求不發(fā)展，現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷增大，生產(chǎn)效率不斷提高。在生產(chǎn)線上由人工進(jìn)行物料上下料已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要，并且隨著人力勞動(dòng)成本的提高，各生產(chǎn)廠商為了節(jié)約成本，提高效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，對(duì)上下料機(jī)械手的需要程度也不斷提高。 目前我國(guó)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍然由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，為了適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。目前我國(guó)的

11、工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。 在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械手也稱為“工業(yè)機(jī)器人”。集成氣動(dòng)、液壓、數(shù)控、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的綜合技術(shù)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，設(shè)定三維空間內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)軌跡，是適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的典型機(jī)電一體化設(shè)各。通過(guò)機(jī)械手工業(yè)生產(chǎn)線的引入，能夠大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)者工作條件。是上業(yè)企業(yè)提高自動(dòng)化水平的重要途徑。 工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，不僅能夠替代繁重的手工勞動(dòng)，而且綜合了人工勞動(dòng)和機(jī)器工作兩個(gè)方而的特長(zhǎng)。能夠同時(shí)體現(xiàn)人對(duì)

12、工作情況中突發(fā)事件的判斷的處理能力以及機(jī)器本身具有的連續(xù)工作、加工精度穩(wěn)定的能力，同時(shí)，機(jī)器人還具有反應(yīng)時(shí)間短、功率輸出大、精度穩(wěn)定性高、信號(hào)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的高科技產(chǎn)品，也是制造領(lǐng)域不可或缺的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。 機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作過(guò)程，按編制程序、軌跡及參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取等操作的自動(dòng)機(jī)械裝置，能夠進(jìn)行物料搬運(yùn)等工作的。自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線中通過(guò)機(jī)械手的使用可以大大提高生產(chǎn)率，具有如下特點(diǎn): 1.在保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大大減輕生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度; 2.它能夠代替人在惡劣的環(huán)境中(易燃、易爆和灰塵大)工作，保障人身安全。 因此，機(jī)械手適用與易燃、易

13、爆和灰塵大的場(chǎng)合，在裝卸、運(yùn)輸、機(jī)械制造等方面運(yùn)用廣泛。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式起初比較簡(jiǎn)單，專用性強(qiáng)，時(shí)僅為某臺(tái)特定機(jī)床進(jìn)行上料、下料工作，是專門附屬于機(jī)床的機(jī)械手。伴隨工業(yè)技術(shù)及控制理論的不斷發(fā)展，研制了能夠按程序要求獨(dú)立的控制機(jī)械手，適用范圍廣泛的，簡(jiǎn)稱為“通用程控機(jī)械手”。由于通用程控機(jī)械手土作程序能夠隨時(shí)改變，適應(yīng)性強(qiáng)，所以在加上品種多樣、批量中小的生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，其示意圖如下所示： 圖1-1 機(jī)械手系統(tǒng)組成 一：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分（手部），腕部，臀部等運(yùn)動(dòng)部件組成。 手部：即直

14、接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單)。手爪多為兩指（也有多指)，根據(jù)需要分為外抓式或內(nèi)抓式兩種，也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件)和電 磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 腕部：連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物體的方位(即姿態(tài))。它可以有上下擺動(dòng)，左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊要求(將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等)，手腕還可以有一個(gè)小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒(méi)有腕部自由度。 臀部：手臂部件是

15、機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具)，并動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。臀部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰)運(yùn)動(dòng)。 二：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的輸出力大，臂力可達(dá)lO0ON以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是

16、氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 三：控制系統(tǒng)：有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 1.3機(jī)械手的分類 1.根據(jù)用途不同分類 機(jī)械手按用途主要分為三類：第一類為通用機(jī)械手，它是一種不依賴于主機(jī)的獨(dú)立裝置，可以根據(jù)需要編寫控制程序，完成所需的功能，這類機(jī)器人有球坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式和直角坐標(biāo)式等多種形式，主要由基座、腰關(guān)節(jié)、大臂、小臂以及手爪等組成，在三維空間里具有很好的靈活性和通用性，因此具有廣泛的應(yīng)用

17、，對(duì)于該類機(jī)器人的研究和應(yīng)用已經(jīng)頗為成熟，由于其良好的通用性，只要在手爪部位安裝合適的裝置即可完成相應(yīng)的功能。 第二類為操作機(jī)，用以完成某些特定的作業(yè)；主要分為焊接操作機(jī)、可行走操作機(jī)及鍛壓操作機(jī)。 第三類為專用機(jī)械手，其主要是附屬于機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床的上下料功能及工件的輸送功能，該種機(jī)械手在軸類及盤類零件的加工機(jī)床或生產(chǎn)線上應(yīng)用尤其廣泛，專用機(jī)械手可以根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的手爪。其優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)作迅速，并可以一次動(dòng)作同時(shí)完成上料和卸料雙重功能，同時(shí)對(duì)于空間的占用較??；缺點(diǎn)在于其機(jī)械手臂長(zhǎng)度固定，動(dòng)作單一，因此只能實(shí)現(xiàn)固定工位的上下料，且氣爪與使用對(duì)象及其尺寸一一對(duì)應(yīng)，因此

18、具有專一性，適合于運(yùn)用于機(jī)床內(nèi)部使用。 2.根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同分類： 1)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以液壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)是:抓重較高、反應(yīng)靈敏、傳動(dòng)穩(wěn)定。但要求嚴(yán)格密封裝置的密封性，液壓油泄漏會(huì)產(chǎn)生對(duì)機(jī)械手及周圍環(huán)境十分巨大的影響，且成本高。 2)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用一于易燃易爆等場(chǎng)合。綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會(huì)造成二次污染，配件價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用更換成本較低。維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過(guò)高端培訓(xùn)即可熟練掌握。氣缸具有模塊性，方便對(duì)現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。能夠儲(chǔ)存能量，以便應(yīng)

19、急使用。自身具各過(guò)載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過(guò)載工作時(shí)能自動(dòng)減壓(泄氣)而停止土作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。運(yùn)動(dòng)速度較高。 3)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如連桿、凸輪等)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn):附屬于主機(jī)之上，由工作機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力傳遞。運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)、動(dòng)作大、結(jié)構(gòu)大、程序圓定。通常用于設(shè)備工作主機(jī)的上料、下料工作。 4)電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用感應(yīng)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或直線電機(jī)直接馭動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn):無(wú)需轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)、行程較長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單。 3.根據(jù)控制方式不同分類 l)點(diǎn)位控制。運(yùn)動(dòng)軌跡為兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)確定凡個(gè)點(diǎn)位置來(lái)控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡控制點(diǎn)數(shù)越

20、多，電氣控制系統(tǒng)越復(fù)雜。但由于該方法控制簡(jiǎn)單，目前被廣泛使用于專用機(jī)械手和通用機(jī)械手中。 2)軌跡控制。運(yùn)動(dòng)軌跡不受點(diǎn)位制約，可以在空間范圍內(nèi)進(jìn)行任意曲線運(yùn)動(dòng)，控制器控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)且準(zhǔn)確，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣，此類機(jī)械手主要采用計(jì)算機(jī)輔助控制，應(yīng)用范圍廣泛。 1.4機(jī)械手在數(shù)控車床上的運(yùn)用 自從1953年，美國(guó)空軍和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，自此經(jīng)幾十年的發(fā)展數(shù)控機(jī)床已從最初的單坐標(biāo)發(fā)展到三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而到發(fā)展到現(xiàn)今多軸(四、五軸)聯(lián)動(dòng)加工中心，加工范圍從單一加工功能發(fā)展到車、銑、磨等多功能綜合進(jìn)而發(fā)展到具有特種加工功能。目前數(shù)控車床中機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式主

21、要是采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也是相對(duì)成熟的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，系統(tǒng)在直線、運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保證定位精度。不同功率通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)重新組合而得以實(shí)現(xiàn)，使用普及度較高。其缺點(diǎn)是價(jià)格高、效率低，又限制其更為廣泛的應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)技術(shù)革新、功能開(kāi)發(fā)、降低成本、提高效率等諸多方法解決這一問(wèn)題。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動(dòng)器是氣動(dòng)肌肉，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制易等優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)器人中應(yīng)用廣泛。通過(guò)氣動(dòng)肌肉，變化長(zhǎng)度較小的缺點(diǎn)得以克服，轉(zhuǎn)動(dòng)位移增大，具有仿生關(guān)節(jié)剛度高、控制獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。 模塊化機(jī)械手由于其成本低廉、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)突出，己經(jīng)在數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，此類氣動(dòng)機(jī)械手定位精度相對(duì)較低，常用于特定

22、零件的裝卸。針對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)裝卸機(jī)械手的研究相對(duì)較少。本課題著眼于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)裝卸的機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 1.5機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從國(guó)內(nèi)外所有機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，在現(xiàn)階段，對(duì)機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)已趨于高潮，機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)，可以總結(jié)為:第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機(jī)械架構(gòu)發(fā)展的主要?jiǎng)酉?其二，PC機(jī)的開(kāi)放型控制器是機(jī)械手體系發(fā)展的一個(gè)主要方向，其目的就是為了完善機(jī)械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化;器件集成度得以強(qiáng)化，架構(gòu)設(shè)計(jì)玲瓏，同時(shí)運(yùn)用過(guò)了模塊化架構(gòu);在很大程度上強(qiáng)化了機(jī)械手體系的安全性和可靠性，同時(shí)也滿足機(jī)械手在維修和防護(hù)方面的一些便捷性;第三，傳感器在機(jī)械手中發(fā)揮了

23、十分重要的作用，不僅運(yùn)用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等，同時(shí)也引進(jìn)J先進(jìn)的視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器，促使機(jī)械手逐漸向智能化方向發(fā)展和推進(jìn);第四.裝配、焊接等機(jī)械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化方向推進(jìn)和發(fā)展，及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的仿真等。 1.6機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 國(guó)內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手，沒(méi)有“視覺(jué)”和“觸角’反饋。目前，世界各界正積極研制帶有“視角”和“觸角”的工業(yè)機(jī)械手，使它能對(duì)所抓取的工件進(jìn)行分辨，選IFS所需要的工件，并正確地夾持工件，進(jìn)而精確地在機(jī)器中定位、定向?yàn)槭箼C(jī)械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件，它由視覺(jué)傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺(jué)

24、信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過(guò)大引起物件損壞或握力過(guò)小引起物件滑落下來(lái)，一般采用兩種方法;一是檢淵把握物體手臂的變形，以決定適當(dāng)?shù)奈樟?另一種是直接檢測(cè)指部與物件的滑動(dòng)位移來(lái)修正握力。因此，這種機(jī)械手就具有以下幾個(gè)方面的性能: 1) 能準(zhǔn)確地抓取方位變化的物體。 2) 能判斷對(duì)象的重量。 3) 能自動(dòng)避開(kāi)障礙物。 4) 抓空或抓力不足時(shí)能檢測(cè)出來(lái)。 這種具有感知能力并能對(duì)感知的信息做出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能機(jī)械手，它是有發(fā)展前途的。 現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡(jiǎn)單重復(fù)的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險(xiǎn)的工作，在惡劣

25、環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費(fèi)工的工業(yè)部門，機(jī)械手的應(yīng)用情況決不能說(shuō)是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時(shí)不足的問(wèn)題很尖銳，但采用機(jī)械手只限于小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機(jī)械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題當(dāng)然也很重要，采用機(jī)械手來(lái)節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的。然而，利用機(jī)械手或類似機(jī)械設(shè)省人力和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，只要技術(shù)方面和價(jià)格方面存在的問(wèn)題獲得解決，機(jī)被手的應(yīng)用必將會(huì)飛躍發(fā)展。 1.7課題的來(lái)源及研究意義 發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓要求進(jìn)行粗車和精車。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的氣隙通過(guò)設(shè)計(jì)的很?。庀洞磐?/p>

26、越小電機(jī)的性能越好），一般不大于0.3毫米，如果轉(zhuǎn)子或者軸承稍有偏心，輕則使氣隙磁通不均勻而影響電機(jī)的出力大小及其均勻程度，重則使轉(zhuǎn)子與定子的摩擦，使電機(jī)的消耗增加，出力減少，溫度增高，重則不能工作而燒毀電機(jī)。如果檢測(cè)超出允許范圍，就必須修理或者更換電機(jī)。 因此上料的時(shí)候，必須保證工件的定位精度，又要確保每次上料的一致性，傳統(tǒng)的人工上料不僅勞動(dòng)強(qiáng)度很大，上料精度也很不好控制。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及PLC編程技術(shù)的迅速普及，其加工時(shí)間要縮短到一分鐘以內(nèi)，為適應(yīng)機(jī)床高精度、高效率的加工要求，發(fā)展自動(dòng)上下料已成為必然趨勢(shì)。精車外圓是在數(shù)控車床中進(jìn)行，要求機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，使用雙道具進(jìn)行車削。第一遍進(jìn)行粗

27、車，接著進(jìn)行精車，保證其加工精度。因此車削轉(zhuǎn)子外圓的上下料系統(tǒng)要滿足快速性和高精度的雙重特性。 機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)是機(jī)械手應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，可以大大的解放人力資源，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及加工過(guò)程的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。隨著數(shù)控機(jī)床向高速高精度方向的不斷發(fā)展，利用機(jī)械手代替人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在近年來(lái)的國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，國(guó)外高檔加工中心與數(shù)控機(jī)床已普遍采用機(jī)器人自動(dòng)上下料裝置，國(guó)內(nèi)機(jī)床廠商也開(kāi)始關(guān)注和著手進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和裝置的研發(fā)，其中，機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的快速、高精度和良好的適應(yīng)性成為技術(shù)難點(diǎn)。本課題針對(duì)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和發(fā)展需要，研究與開(kāi)發(fā)數(shù)控外圓精車

28、的機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)國(guó)產(chǎn)高端制造裝備水平的提高無(wú)疑具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值，使系統(tǒng)的效率明顯的上一個(gè)臺(tái)階。 43 第二章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 2.1機(jī)械手方案設(shè)計(jì)原則 2.1.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 在機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)同時(shí)考慮到零件的設(shè)計(jì)要求和工藝要求。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會(huì)受到工藝要求的影響。一般應(yīng)滿足以下要求: 1)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)完全保證零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和互換性。便于后期的維修更換。 2)零件尺寸基準(zhǔn)選擇要合理規(guī)范，尺寸標(biāo)注之前應(yīng)首先考慮，同時(shí)注意設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)要重合、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)同定位基準(zhǔn)盡量保證重合。 3)在滿足零件設(shè)

29、計(jì)要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到零件制造、加工、裝配的整體工藝路線。 4)零件尺寸精度按照零件功能的要求進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定過(guò)低影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)過(guò)高會(huì)增加成本。 2.1.2.機(jī)械手部件選材原則 機(jī)械手的設(shè)計(jì)再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要考慮到其材料工藝的選擇。選材要考慮到其零件的使用性、制造過(guò)程及成本等幾個(gè)方而，應(yīng)滿足以下要求: 1)使用性 在機(jī)器零件的設(shè)計(jì)上，通過(guò)分析零件工作條件和失效形式，對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行分析，是使用性能的一個(gè)重點(diǎn)。 2)工藝性 通過(guò)工藝性能分析，對(duì)加工形式進(jìn)行分析設(shè)定。在滿足使用性能的前提下，選擇更易加土的材料能夠大大降低加工難度。這項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)對(duì)

30、經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)生影響。 3)經(jīng)濟(jì)性 選材應(yīng)保證其整體成本最低。零件壽命、重量、研究費(fèi)、加工費(fèi)、維修費(fèi)都會(huì)涉及總體成本，材料價(jià)格的高低是選材重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。確保零件的使用、工藝性能基礎(chǔ)之上，降低材料價(jià)格，壓縮成本以增加經(jīng)濟(jì)效益更大化，提高市場(chǎng)上產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，是工程設(shè)計(jì)中一貫堅(jiān)持的重要原則。 2.2機(jī)械手上下料系統(tǒng)要求 按照工廠的實(shí)際生產(chǎn)要求，數(shù)控車削轉(zhuǎn)子的機(jī)械手上下料系統(tǒng)需要自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上料并且將加工完成的工件自動(dòng)取下來(lái)然后將加工好的工件放到傳送帶上完成輸送功能。因此機(jī)械手上下料系統(tǒng)需要具有自動(dòng)上下料功能、吹氣功能及其輸送功能等，其主要的設(shè)計(jì)要求如下： a) 實(shí)現(xiàn)從傳送帶取放工件到機(jī)床工作臺(tái)

31、上取放工件的整個(gè)循環(huán)過(guò)程的自動(dòng)化； b) 機(jī)械手與工件輸送系統(tǒng)可為相互獨(dú)立的模塊，可單獨(dú)使用亦可構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)； c) 系統(tǒng)動(dòng)作流程，穩(wěn)定可靠； d) 上下料的時(shí)候，轉(zhuǎn)子中心孔與機(jī)床芯軸的定位精度為0.01~0.04 mm； 2.3機(jī)械手動(dòng)作要求 上下料動(dòng)作分析：根據(jù)生產(chǎn)線體的空間位置和操作臺(tái)的具體位置，然后再根據(jù)上下料和車床的加工工藝過(guò)程和具體的工序，確定機(jī)械手需要完成的具體動(dòng)作流程圖如下： 表2-1機(jī)械手動(dòng)作 序號(hào) 動(dòng)作名稱 行程范圍 1 機(jī)械手下移 200mm 2 機(jī)械手1夾緊 / 3 機(jī)械手上移 200mm 4 機(jī)械手左移 1000mm 5

32、 機(jī)械手翻轉(zhuǎn) 90 6 機(jī)械手下移 200mm 7 機(jī)械手2爪夾緊 / 8 車床的頂針退 / 9 車床的夾頭松開(kāi) / 10 機(jī)械手右移（少量） 6mm 11 機(jī)械手上移 200mm 12 機(jī)械手翻轉(zhuǎn) 90 13 機(jī)械手下移 200mm 14 機(jī)械手少量左移 6mm 15 車床頂針進(jìn) / 16 車床夾頭緊 / 17 機(jī)械手指松 / 18 機(jī)械手上移 200mm 19 機(jī)械手翻轉(zhuǎn) 90 20 機(jī)械手右移 1000mm 21 機(jī)械手下移 200mm 22 機(jī)械手指松開(kāi) / 23 機(jī)械手

33、上移 200mm 24 機(jī)械手翻轉(zhuǎn) 90 根據(jù)建立的空間坐標(biāo)系，分析整個(gè)過(guò)程基本有沿z軸的上下移動(dòng)和x軸的左右移動(dòng)，以及沿y軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).根據(jù)任務(wù)書(shū)上得翻轉(zhuǎn)角度為90度，沿x軸移動(dòng)距離為1000mm，沿z軸上下移動(dòng)距離為200mm，以及手爪的夾緊和松開(kāi)過(guò)程。根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，完成具體動(dòng)作，選擇完成基本運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)件。 2.4傳動(dòng)件和執(zhí)行元件的方案設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械手具體完成動(dòng)作，將機(jī)械手分成幾個(gè)重要過(guò)程，即：工件的夾緊和松開(kāi)過(guò)程，工件沿y軸翻轉(zhuǎn)90度過(guò)程，工件沿Z軸上下移動(dòng)過(guò)程和工件沿x軸的來(lái)回移動(dòng)過(guò)程。下面就幾個(gè)過(guò)程分別設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案： a）工件的夾緊和松開(kāi)過(guò)程：根據(jù)任務(wù)書(shū)

34、要求選擇用氣動(dòng)元件，又考慮到該過(guò)程不需要提供很大的動(dòng)力，僅需簡(jiǎn)單，方便的元件就可以完成，考慮到大部分氣動(dòng)元件都是氣缸，所以選擇用氣缸來(lái)提供動(dòng)力，再根據(jù)工件為直徑30mm的轉(zhuǎn)子，質(zhì)量為0.5kg，需要完成對(duì)轉(zhuǎn)子的夾緊和松開(kāi)兩個(gè)動(dòng)作，根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》選擇用氣爪來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求！ b）工件沿y軸翻轉(zhuǎn)90度過(guò)程： 方案一：這個(gè)過(guò)程需要將機(jī)械手翻轉(zhuǎn)90度，選擇轉(zhuǎn)動(dòng)的元件實(shí)現(xiàn)功能。轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力一般為電機(jī)，可以由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)軸直接帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)90度。也可以在中間加一傳動(dòng)件，比如齒輪傳動(dòng)，由齒輪的齒數(shù)來(lái)控制其旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)目的要求。 方案二：動(dòng)力源仍舊選擇由氣壓提供，在氣缸的種類中找到能將直線運(yùn)動(dòng)

35、轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣缸。擺動(dòng)氣缸就是其中的一種，所以選擇擺動(dòng)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)目的要求。 方案評(píng)估：該過(guò)程可以直接選擇由軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成，也可以選擇用將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，方案一的方法直接由電機(jī)提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能，但是這里考慮到該過(guò)程只是一個(gè)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)精度和動(dòng)力要求都不高，并且方案一使機(jī)械手更加龐大，不利于后面的設(shè)計(jì)，所以從設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，選擇第二種方案。方案二由氣壓提供動(dòng)力，直接用氣缸就能實(shí)現(xiàn)功能，機(jī)械手不會(huì)變的龐大，氣動(dòng)本來(lái)就很便宜，這也節(jié)約了成本。氣缸的選擇同樣在氣缸的種類里面能夠找到合適的解決方案。選用氣缸提供動(dòng)力，根據(jù)《氣缸的工作原理及應(yīng)用入門》選擇回轉(zhuǎn)氣缸

36、來(lái)實(shí)現(xiàn)功能！ c）工件沿Z軸上下移動(dòng)：動(dòng)力源由氣動(dòng)提供，根據(jù)《氣缸的工作原理及應(yīng)用入門》選擇雙軸氣缸實(shí)現(xiàn)工件的上下移動(dòng)！ d）工件沿x軸的來(lái)回移動(dòng)：該運(yùn)動(dòng)過(guò)程是直線運(yùn)動(dòng)，能夠直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的有很多方式，比如帶傳動(dòng)，或是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。也可以選擇有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變成之間運(yùn)動(dòng)的方式，比如齒輪齒條傳動(dòng)，或是絲桿的傳動(dòng)。由于需要在工件在安裝時(shí)保證良好的精度和定位要求，所以需要選擇高精度的傳動(dòng)原件，并且來(lái)回行程很長(zhǎng)，為了節(jié)約工件在傳送過(guò)程中的時(shí)間的不必要浪費(fèi)，所以選擇用私服電機(jī)提供動(dòng)力，滾珠絲桿傳動(dòng)保證精度和傳送速度！ 根據(jù)以上各部分傳動(dòng)選擇好的傳動(dòng)原件，將工件和傳動(dòng)原件用連接件連接起來(lái)就可以保

37、證其運(yùn)動(dòng)方式，然后再對(duì)各部分進(jìn)行尺寸，形狀和精度的精確設(shè)計(jì)，即可完成對(duì)數(shù)控車床的上下料要求！ 第三章 各部分詳細(xì)設(shè)計(jì) 由于本次設(shè)計(jì)主要采用的是氣動(dòng)元件，在機(jī)械手設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇的是氣缸。其實(shí)動(dòng)力源還有很多，比如液壓、電動(dòng)力馬達(dá)，之所以選擇氣動(dòng)，是因?yàn)榇诵⌒蜋C(jī)械手中手爪的夾緊力和驅(qū)動(dòng)力都不是很大，氣壓傳動(dòng)完全可以滿足工作要求，加上氣壓傳動(dòng)有能量?jī)?chǔ)存簡(jiǎn)單而且可以產(chǎn)生高速動(dòng)作；氣體容易壓縮，并且無(wú)污染，釋放后可以循環(huán)利用；生產(chǎn)成本價(jià)格低廉，體積小，重量輕，輸出質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，所以主要是對(duì)氣缸的選型計(jì)算 3.1氣壓傳動(dòng)簡(jiǎn)介 氣壓傳動(dòng)技術(shù)(Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)，對(duì)機(jī)械

38、運(yùn)動(dòng)進(jìn)行能量傳遞及控制的一門技術(shù)，簡(jiǎn)稱為氣動(dòng)技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)近年發(fā)展迅速，其關(guān)鍵部分是氣動(dòng)元件。通過(guò)氣動(dòng)元件的不同組合，形成氣動(dòng)控制、傳動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)技術(shù)傳遞信號(hào)和能量的介質(zhì)主要是空氣，通過(guò)空氣壓縮產(chǎn)生的氣壓進(jìn)行控制的一門技術(shù)，主要是氣動(dòng)控制和氣壓傳動(dòng)兩部分內(nèi)容。氣動(dòng)技術(shù)突破原有理念，在汽車、機(jī)械、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用，己廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的成套設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線上。 液壓與氣動(dòng)是兩種應(yīng)用廣泛的傳動(dòng)技術(shù)，兩者相對(duì)比，各有優(yōu)缺點(diǎn)。氣動(dòng)技術(shù)相對(duì)于液壓技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn): 1.以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場(chǎng)合， 2.綠色環(huán)保，空

39、氣使用后可直接排放，不會(huì)造成二次污染，配件價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用更換成本較低。 3.維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過(guò)高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 4.氣缸具有模塊性，方便對(duì)現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。 5.能夠儲(chǔ)存能量，以便應(yīng)急使用。 6.自身具備過(guò)載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過(guò)載工作時(shí)能自動(dòng)減壓(泄氣)而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。 7.運(yùn)動(dòng)速度較高。 氣動(dòng)技術(shù)相對(duì)于液壓技術(shù)缺點(diǎn)如下: 1.壓縮空氣使用前需要進(jìn)行過(guò)濾，除去其雜質(zhì)并進(jìn)行干燥。 2.系統(tǒng)使用壓縮空氣效率相對(duì)較低，穩(wěn)定性相對(duì)較差，不利于進(jìn)行精確的位置

40、控制和速度控制 3.設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大噪音。 4.信號(hào)傳遞速度相對(duì)較低，延遲、失真情況明顯，不便用于需要高速、精確傳遞，信號(hào)傳送距離有限。 國(guó)外將氣動(dòng)稱為“廉價(jià)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)”。氣動(dòng)裝置在現(xiàn)今自動(dòng)化工業(yè)中地位十分重要。氣動(dòng)技術(shù)具有抗燃、無(wú)污染、原料易獲得等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究。由于氣動(dòng)技術(shù)本身具備的特性，特別是其優(yōu)點(diǎn)突出，使其在各工業(yè)自動(dòng)化部門應(yīng)用日益廣泛。氣動(dòng)技術(shù)與液壓、電器等新興技術(shù)共同成為自動(dòng)化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)。其發(fā)展趨勢(shì)正在向微型化、模塊化方向發(fā)展。 3.2氣缸的基本組成和原理 氣缸的組成：氣缸主要由缸體，活塞，活塞桿，前后端蓋，密封裝

41、置組成部分氣缸還有磁環(huán)等 氣缸的基本原理:氣缸的基本原理為通過(guò)壓力的空氣推動(dòng)活塞移動(dòng)，活塞桿連接在活塞上隨活塞一起運(yùn)動(dòng)，活塞桿連接執(zhí)行件，通過(guò)改變進(jìn)氣方向，改變活塞桿的移動(dòng)方向從而改變執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 失效形式:活塞卡死，不動(dòng)作;氣缸無(wú)力，密封圈磨損，漏氣。 氣缸的種類：氣缸有做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的和做往復(fù)擺動(dòng)的兩類。做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。 1.單作用氣缸：僅一端活塞桿，從活塞一側(cè)供氣聚能產(chǎn)生氣壓，氣壓推動(dòng)活塞產(chǎn)生推力伸出，靠彈簧或自重返回。 2.雙作用氣缸從活塞兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)或兩個(gè)方向輸出力。 2.膜片式氣缸：用膜片代替活塞，只在一個(gè)

42、方向輸出力，用彈簧復(fù)位。它的密封性能好，但行程短。 4.沖擊氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為活塞高速（10～20米秒）運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，借以做功。做往復(fù)擺動(dòng)的氣缸稱擺動(dòng)氣缸，由葉片將內(nèi)腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)角小于 280。此外，還有回轉(zhuǎn)氣缸、氣液阻尼缸和步進(jìn)氣缸等 氣缸的分類：氣缸可以分為直線運(yùn)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)氣缸、氣爪等。 氣缸的密封：用來(lái)防止氣壓泄露一般采用密封圈，回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)處的部件密封稱為動(dòng)密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。 圖3-1 氣缸 3.3氣缸的選擇原則方法 負(fù)載力f: 負(fù)載力是由工件產(chǎn)生的力，是氣缸

43、所帶動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生的外力。 負(fù)載率：指氣缸軸向負(fù)載力F與氣缸理論輸出力F1之比。 理論輸出力：理論輸出力是指在氣缸處于靜止?fàn)顟B(tài)下，作用在活塞有效截面積上的氣體產(chǎn)生的壓力或推力。 尺寸的選擇：根據(jù)氣缸的推力拉力大小，選定氣缸的使用壓力參數(shù)以及缸勁尺寸，氣缸的推力計(jì)算公式為： 氣缸推力計(jì)算公式為： （3-1） 氣缸拉力計(jì)算公式為： （3-2） 公式式中：D-氣缸的活塞直徑（） d-氣缸的活塞桿直徑（） P-氣缸的工作壓力() ，-氣缸的理論推拉力（N） 上述的計(jì)算公式僅適

44、用于氣缸的工作速度在50~500mm/s范圍內(nèi)，氣缸以上下垂直形式安裝使用的時(shí)候，向上的推力約為理論計(jì)算值的50%，如果氣缸橫向水平使用，考慮慣性因素，其理論輸出推力與輸出推力基本相等，計(jì)算時(shí)候可以認(rèn)為相等來(lái)考慮。 另外，選定氣缸的行程時(shí)，要確定工作的移動(dòng)距離，考慮工作狀況是滿行程還是預(yù)留行程，當(dāng)行程超過(guò)工作狀況的最長(zhǎng)行程的時(shí)候，要考慮活塞桿的剛度，可以選擇支撐導(dǎo)向或者選擇特殊氣缸。根據(jù)氣缸的緩沖形式，有無(wú)緩沖氣缸、可調(diào)緩沖氣缸以及固定緩沖氣缸。根據(jù)氣缸的潤(rùn)滑方式，有給油潤(rùn)滑氣缸和無(wú)給油潤(rùn)滑氣缸，根據(jù)氣缸的選型方法，可知本次機(jī)械手上下料設(shè)計(jì)中氣缸的選擇是關(guān)鍵！ 3.4氣爪的設(shè)計(jì) 3.4

45、.1氣爪的介紹 氣爪即是氣動(dòng)手爪，是一種變形氣缸。它用來(lái)抓取物體，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)作，氣動(dòng)手爪常用于搬運(yùn)。它有平行開(kāi)合手指，肘節(jié)擺動(dòng)開(kāi)合手爪、有兩爪、二爪和四爪等類型，其中兩爪中有平開(kāi)式和支點(diǎn)開(kāi)閉式驅(qū)動(dòng)方式有直線式和旋轉(zhuǎn)式。 氣動(dòng)手爪的開(kāi)閉一般是通過(guò)由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)手爪同步做開(kāi)、閉運(yùn)動(dòng)。適用于多塵，多屑的場(chǎng)合。 因此，根據(jù)手動(dòng)氣爪的這些功能和設(shè)計(jì)要求，參考平開(kāi)直線式手爪的原理，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理如下： 圖3-2 氣爪 當(dāng)A口進(jìn)氣B口排氣時(shí)，氣缸活塞桿2伸出，通過(guò)杠桿3繞杠桿軸7回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)兩個(gè)手指5通過(guò)一組鋼球11在

46、導(dǎo)軌4上做外直線運(yùn)動(dòng)，兩手指便張開(kāi)，松開(kāi)工件。制動(dòng)塊6限制工件行程，定位銷13保證直線導(dǎo)軌不錯(cuò)位。 3.4.2氣缸的選型 負(fù)載的計(jì)算：考慮到工件為直徑30mm的轉(zhuǎn)子，重量不足1kg，極限重量為5kg，在夾緊過(guò)程中受力如下圖所示： 圖3-3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量為最大： m=5kg （3-3） G=m*g=5*9.8=49N （3-4） fy=0.5*G=24.5N （3-5） 假設(shè)fx=fy，所以： fx=24.5N，

47、 （3-6） 這樣每個(gè)手指提供的合力： F= (3-7) = =34.6N`` 每個(gè)手爪需要橫向移動(dòng)的距離為7mm，在此工程中回收到滾珠和鉸鏈的阻力，需要?dú)飧滋峁┑膲毫Υ笮?.5F，所以為1.5*34.6=51.9N。 負(fù)載率：由于該氣缸的作用只是負(fù)責(zé)抓取工件，所以屬于低速情況： 取 =0.65 (3-8) 理論輸出力： F1= F/

48、 (3-9) =34.6/0.65 =53.2N 缸徑的計(jì)算：氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算需根據(jù)其負(fù)載大小、運(yùn)行速度和系統(tǒng)工作壓力來(lái)決定。這里運(yùn)行速度很小，系統(tǒng)工作壓力一般去0.4-0.6MPa， 選取 P=0.5MPa F1= (3-10) D===11.6mm 取圓整后： D=12mm 根據(jù)求的的直徑和選取的氣缸工作壓力，然后選擇具體的氣缸型號(hào)。如圖所示： 圖3-4 氣動(dòng)氣缸 3.5旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì) 3.5.1傳動(dòng)件的選擇 旋

49、轉(zhuǎn)裝置主要?jiǎng)恿闅鈩?dòng)，所以首選氣缸為擺動(dòng)氣缸。擺動(dòng)氣缸根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可以分為齒輪齒條式和葉片式兩種方式。 葉片式氣缸：?jiǎn)稳~片式擺動(dòng)氣缸的結(jié)構(gòu)原理如圖3-4所示口它是由葉片軸轉(zhuǎn)了(即輸出軸)、定子、缸體和前后端蓋等部分組成。定了和缸體固定在一起，葉片和轉(zhuǎn)了聯(lián)在一起。在定了上有兩條氣路，當(dāng)左路進(jìn)氣時(shí)，右路排氣，壓縮空氣推動(dòng)葉片帶動(dòng)轉(zhuǎn)了順時(shí)針擺動(dòng)。反之，作逆時(shí)針擺動(dòng)。 葉片式擺動(dòng)氣缸體積小，重量最輕，但制造精度要求高，密封困難，泄漏是較大，而且動(dòng)密封接觸面積大，密封件的摩擦阻力損失較大，輸出效率較低，小于80℅因此，在應(yīng)用上受到限制，一般只用在安裝位置受到限制的場(chǎng)合，如夾具的回轉(zhuǎn)，閥門開(kāi)閉及工作臺(tái)

50、轉(zhuǎn)位等。 1．葉片葉子 2. 轉(zhuǎn)子 3. 定子 4. 缸體 圖3-5 葉片式擺動(dòng)氣缸 齒輪齒條式氣缸：齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸是通過(guò)連接在活塞上的齒條使齒輪回轉(zhuǎn)的一種擺動(dòng)氣缸，其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。 活塞僅作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，摩擦損失少，齒輪傳動(dòng)的效率較高，此擺動(dòng)氣缸效率可達(dá)到95%左右。 圖3-6 齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸 根據(jù)齒輪齒條式和葉片式兩種氣缸的對(duì)比，明顯齒輪齒條式氣缸在結(jié)構(gòu)和效率上都要比葉片式優(yōu)良，所以這里選擇齒輪齒輪齒條式的擺動(dòng)氣缸來(lái)完成所需運(yùn)動(dòng)。 3.5.2齒輪齒條式氣缸的設(shè)計(jì) 3.5.2.1齒輪軸的材料選擇 此次設(shè)計(jì)屬于精密設(shè)計(jì)，

51、所選用的齒輪精度比較高，并且齒輪要有較高的強(qiáng)度及其齒面具有較高的硬度，還應(yīng)進(jìn)行磨齒及其精加工。需精加工的齒輪目前多是先切齒，再做表面硬化處，最后是進(jìn)行精加工。此次齒輪的材料選擇。 3.5.2.2齒輪軸的設(shè)計(jì) 選取為直齒圓柱齒輪，采用標(biāo)準(zhǔn)齒形，標(biāo)準(zhǔn)安裝 表3-1齒輪參數(shù)表 齒輪參數(shù) 公式 結(jié)果 齒輪模數(shù) 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.3選取 m=1.5 中心距a的確定 由設(shè)計(jì)得中心距為15 a=15 分度圓直徑d為 d=2a d=30 齒數(shù)z z= z=20 分度圓壓力角α 標(biāo)準(zhǔn)角 α=20 齒頂高 = m =2 齒根高 = =

52、2.5 齒全高 = =4.5 齒頂圓直徑 = =33 齒根圓直徑 = =26.25 基圓直徑 = =12.24 齒距 = =4.7 齒厚 =/2 =2.35 齒槽寬 =/2 =2.35 頂隙 = =0.31 3.5.2.3齒條的設(shè)計(jì)： 考慮到齒條加工難度比齒輪軸小，所以選擇材料比齒輪軸材料強(qiáng)度低，以便磨損齒條，保護(hù)齒輪。 齒條和齒輪有著一樣的各個(gè)參數(shù)，這里不再重復(fù)。旋轉(zhuǎn)90度之后齒輪軸轉(zhuǎn)過(guò)的距離：

53、 s= =23.55mm (3-11) 齒距=4.7，所以齒條走過(guò)了5個(gè)齒，這里需要齒條的有效長(zhǎng)度大于行程s，增加三個(gè)齒的長(zhǎng)度保證齒輪運(yùn)行正常，即齒條齒數(shù)為8. 3.5.2.4齒條疲勞強(qiáng)度的計(jì)算： 1. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) (3-12) 齒寬系數(shù)：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.13查的=0.8. (3-13) 為使用系數(shù)，查表12.9得： =1.5 為動(dòng)載系數(shù)，查表12.9得：

54、 =1.2 為齒間載荷分布系數(shù)，查表12.10得：=1.32 為齒向載荷分布系數(shù)，由表12.11得：=1.38 所以動(dòng)載系數(shù)=1.51.21.321.38=3.28 （3-14） =0.87 （3-15） 為彈性系數(shù)，由表12.12可得：= 為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由圖12.16可得：=2.5 由圖12.17c查得，計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 [] （3-16） 其中上述[] = 990 ，[]=1000 所以可以計(jì)

55、算出齒輪的分度圓直徑 所以，滿足要求！ 2. 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核： 校核公式 （3-17） 重合度系數(shù)， = （3-18） ==0.68 齒間載荷分配系數(shù)， 由表12.10查的 =1.47 齒向載荷分配系數(shù), 由圖12.14查得 =1.38 載荷系數(shù), （3-19） =1.51.471.38=3.65

56、 齒形系數(shù)， 由圖12.21 = 2.46 =2.19 應(yīng)力修正系數(shù) 由圖12.22 =1.65 =1.8 彎曲疲勞極限 由圖12.23c得 =450MPa =100MPa 彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14 =1.25 許用彎曲應(yīng)力=349MPa =89MPa 所以帶入公式得：m0.83，所以滿足要求！ 3.5.2.5氣缸大小的選擇 負(fù)載的計(jì)算：由該氣缸的輸出軸上所要承受的有兩個(gè)氣爪的重力，連接旋轉(zhuǎn)氣缸和氣爪的支座的重力，旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，通氣和排氣時(shí)所受到的

57、沖擊力?？紤]到該機(jī)械手主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，所傳遞的動(dòng)力很小，工件的質(zhì)量也很小，所以主要計(jì)算其所受的重力，將結(jié)果乘以1.5倍為負(fù)載的大小。 兩個(gè)氣爪質(zhì)量總計(jì)： m1 = 4 kg 連接支座的質(zhì)量為 m2 = 2 kg 所受重力 f =(m1+m2)*g=（4+2）*9.8=58.8N （3-20） f=58.8N 負(fù)載力 F=1.5*f= 58.8*1.5=88.2N （3-

58、21） F=88.2N 負(fù)載率： 該轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度要求不高，所以取0.5 =0.5 理論輸出力F1： F1= （3-22） = =176.4N 齒條受力F2： 因?yàn)檩敵隽κ怯捎邶X條傳遞給齒輪軸，齒輪軸受到圓周力和軸向力，輸出力為圓周力，這里齒條受力估算為1.2倍圓周力。 即=1.2 （3-23） =

59、212N 氣缸的表面積S根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸確定 S= (3-24) =961mm 氣缸的壓強(qiáng)p p= (3-25) = =0.22MPa 實(shí)際所選氣缸壓強(qiáng)P： 計(jì)算值為所選值的70% P

60、=0.3MPa 3.6連接座的設(shè)計(jì) 3.6.1連接座整體設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)支座主要起到連接回轉(zhuǎn)氣缸軸和兩個(gè)氣爪的作用，用來(lái)傳遞由回轉(zhuǎn)氣缸輸出的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)兩個(gè)氣爪旋轉(zhuǎn)90度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下料交替的過(guò)程。根據(jù)回轉(zhuǎn)氣缸輸出軸的尺寸和氣缸的大小尺寸，以及機(jī)械手上下料時(shí)相對(duì)工作臺(tái)的空間位置，設(shè)計(jì)出旋轉(zhuǎn)支座為下圖所示： 圖3-7 支座 材料的選擇：因?yàn)樵摿慵皇瞧鸬竭B接和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，對(duì)強(qiáng)度要求不大，所以選擇材料為HT200，零件通過(guò)鑄造而成。 3.6.2氣爪和連接座螺釘?shù)暮?jiǎn)單校核 兩個(gè)氣爪用沉頭螺釘連接在連接座上，保證足夠的精度。 螺釘?shù)倪x取：根據(jù)《畫(huà)法幾何及工程制圖》 附錄表8選擇內(nèi)

61、六角頭螺釘（GB/T 70.1-2000） 螺釘為M612全螺紋，數(shù)量為8個(gè)。螺釘?shù)燃?jí)為4.8級(jí)的中碳鋼。 圖3-8 內(nèi)六角圓柱頭螺釘 螺釘安全校核的簡(jiǎn)單計(jì)算： 由螺釘受力可以知道，螺釘主要受的是剪應(yīng)力，所以做剪切應(yīng)力的校核。螺釘連接氣缸與連接座，所受剪力為氣缸和氣缸的重力， =19.6N (4-1) 其強(qiáng)度條件為： (4-2) d—螺釘抗剪面直徑；

62、 m—螺釘抗剪面數(shù)目，這里一個(gè)連接面螺釘數(shù)為4，所以m=4； —螺釘?shù)男栌们袘?yīng)力； 的值由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6—4得： = =2.5 (4-3) 的計(jì)算： 根據(jù)螺釘?shù)燃?jí)為4.8級(jí)，即可得 ， (4-4) 且： (4-5) 320 所以，螺釘強(qiáng)度條件： (4-6)

63、 所以，滿足要求！ 3.7上下移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 3.7.1上下移動(dòng)裝置的選擇 這里上下移動(dòng)裝置仍舊考慮用氣缸來(lái)完成，主要是帶動(dòng)回轉(zhuǎn)氣缸和氣爪沿Z軸上下移動(dòng)，移動(dòng)距離為200mm。 雙軸氣缸的原理：雙軸氣缸和一般的氣缸的區(qū)別在于其上加了一根導(dǎo)桿，主要用于長(zhǎng)行程的場(chǎng)合，由于行程比一般的氣缸的行程長(zhǎng)，所以必須加一根導(dǎo)桿做導(dǎo)向作用，這樣就能是活塞桿在長(zhǎng)行程的過(guò)程不會(huì)發(fā)生偏移，使導(dǎo)向精度更高，同時(shí)也增強(qiáng)了氣缸的強(qiáng)度，能夠承受較大的橫向力矩和負(fù)載。 在雙軸氣缸的原理基礎(chǔ)上，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的具體要求，對(duì)雙軸氣缸做了一點(diǎn)改進(jìn)，將導(dǎo)桿放在中間，兩邊分別為活塞桿，在雙軸

64、氣缸的原理上增加了一個(gè)活塞桿。因?yàn)檫@里氣缸主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)，考慮到行程略長(zhǎng)，所以參考雙軸氣缸的原理，上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候需要保證足夠的導(dǎo)向，使活塞桿不發(fā)生偏移，所以在中間設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)桿，這樣就能保證活塞不偏移，提高精度。為了使氣缸在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中保證足夠的強(qiáng)度，在另一端增加一個(gè)活塞桿，這樣兩個(gè)活塞桿在導(dǎo)桿的導(dǎo)向作用下做來(lái)回長(zhǎng)行程的運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生偏移，保證了工作的需要設(shè)計(jì)的氣缸形狀和原理如下圖所示： 1.彈簧擋圈 2.小端蓋 3.大端蓋 4.螺釘 5.導(dǎo)桿 6.缸體 7.密封圈 8.密封圈 9.磁鐵 10.活塞 11.O型環(huán)12.活塞桿 13.密封圈 14.調(diào)節(jié)螺栓 15.密封圈 16 端

65、蓋 17. O型環(huán) 18擋塊 圖3-9 上下移動(dòng)裝置 該裝置作用原理為氣孔通氣，氣體進(jìn)入缸體后推動(dòng)活塞10向下移動(dòng)，導(dǎo)桿5給活塞提供導(dǎo)向作用，活塞桿12連接在活塞10上隨其一起向下移動(dòng)，活塞桿12連接工件，從而工件被活塞桿12推動(dòng)做向下的運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)氣孔通氣時(shí)活塞桿12帶動(dòng)工件做反向運(yùn)動(dòng)，擋塊18起到做定位作用，調(diào)節(jié)螺栓14調(diào)節(jié)工件上下移動(dòng)的行程。 3.7.2雙軸氣缸的計(jì)算 負(fù)載力的計(jì)算：主要受到各物體的重力和氣缸翻轉(zhuǎn)時(shí)受到的離心力，該氣缸所受的重力為前面各元件質(zhì)量的總和： G= (3-27)

66、 =98N 負(fù)載力大小為： f=1.5G=147N (3-28) 負(fù)載率： 該轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度要求不高，所以取0.5 =0.5 理論輸出力F： F= (3-29) = =294N 氣缸的行程： =200mm 設(shè)計(jì)缸體內(nèi)表面直徑D： D=56mm 設(shè)計(jì)導(dǎo)桿直徑為： =16mm 設(shè)計(jì)活塞桿直徑： =12mm 氣缸壓力p： P= (3-30) =0.24MPa 所選氣缸壓力值：