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

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1、 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計 學(xué) 生：喻 攀 學(xué) 號：09011030127 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級：機(jī)械設(shè)計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（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計 學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計 班級：

2、2009.1學(xué)號： 09011030127 學(xué)生： 喻攀 指導(dǎo)教師： 符純?nèi)A 接受任務(wù)時間 2013.03.04 系主任 （簽名）　　院長 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 主要內(nèi)容： ① 氣動元件完成機(jī)械手上下料要求； ② 三個自由度，z軸移動200mm，x軸移動1000，繞y軸轉(zhuǎn)動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)計說明書

3、一份； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明 《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計》 《氣缸的工作原理》 3．進(jìn)度安排 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱、收集資料，完成開題報告 2013.03.04-2013.03.18 2 完成所有設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算任務(wù) 2013.03.19-2013.04.06 3 完成所有畢業(yè)設(shè)計的圖紙 2013.04.07-2013.05.25 4 修改、完成畢業(yè)設(shè)計說明書的編寫，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)計主要針對數(shù)控車床加工轉(zhuǎn)子的機(jī)械手的上下料過程，分析工件由生產(chǎn)線到工作臺的運(yùn)動過程。主要采用氣動元件，用氣爪，擺動氣缸等實(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)動的方案。通過本次設(shè)計，對機(jī)械手用于數(shù)控車床的設(shè)計步驟和方法有系統(tǒng)認(rèn)識，能夠根據(jù)其動作設(shè)計出經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)械手，并且對氣缸的結(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課題的來源及研究意義 6 第二章 機(jī)械手設(shè)計方案 7 2.1機(jī)械手方案設(shè)計原則 7 2.1.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計原則 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)械手動作要求 8 2.4傳動件和執(zhí)行元件的方案設(shè)計 9 第三章 各部分詳細(xì)設(shè)計 11 3.1氣壓傳動簡介 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 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 16 3.5.1傳動件的選擇 16 3.5.2齒輪齒條式氣缸的設(shè)計 18 3.6連接座的設(shè)計 22 3.6.1連接座整體設(shè)計 22 3.6.2氣爪和連接座螺釘?shù)暮唵涡：?23 3.7上下移動裝置的設(shè)計 24 3.7.1上下

9、移動裝置的選擇 24 3.7.2雙軸氣缸的計算 25 3.8水平移動裝置的設(shè)計 26 3.8.1移動裝置的選擇 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 30 第四章：公差配合的選取 31 4.1配合的簡介 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（論文） 第一章 緒論 1.1機(jī)械手簡介 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)自動化，對上下料機(jī)械手的需要程度也不斷提高。 目前我國大多數(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，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，為了適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。目前我國的

11、工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國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)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(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、液壓、數(shù)控、計算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的綜合技術(shù)，可通過計算機(jī)編程，設(shè)定三維空間內(nèi)任意運(yùn)動軌跡，是適合自動化生產(chǎn)線的典型機(jī)電一體化設(shè)各。通過機(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、改善勞動者工作條件。是上業(yè)企業(yè)提高自動化水平的重要途徑。 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，而且綜合了人工勞動和機(jī)器工作兩個方而的特長。能夠同時體現(xiàn)人對

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，機(jī)器人還具有反應(yīng)時間短、功率輸出大、精度穩(wěn)定性高、信號處理方便等優(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)域不可或缺的自動化機(jī)械設(shè)備。 機(jī)械手是模仿人手的動作過程，按編制程序、軌跡及參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)自動抓取等操作的自動機(jī)械裝置，能夠進(jìn)行物料搬運(yùn)等工作的。自動化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線中通過機(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)形式起初比較簡單，專用性強(qiáng)，時僅為某臺特定機(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，并可用來調(diào)整被抓物體的方位(即姿態(tài))。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運(yùn)動。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)，手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒有腕部自由度。 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)，并動它們作空間運(yùn)動。臀部運(yùn)動的目的:把手部送到空間運(yùn)動范圍內(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，一般來說臂部具有三個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。 二：驅(qū)動系統(tǒng)：有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的輸出力大，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、氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機(jī)械式只用于動作簡單的場合。 三：控制系統(tǒng)：有點(diǎn)動控制和連續(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)動結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的手爪。其優(yōu)點(diǎn)在于動作迅速，并可以一次動作同時完成上料和卸料雙重功能，同時對于空間的占用較??；缺點(diǎn)在于其機(jī)械手臂長度固定，動作單一，因此只能實(shí)現(xiàn)固定工位的上下料，且氣爪與使用對象及其尺寸一一對應(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)動方式不同分類： 1)液壓驅(qū)動機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以液壓驅(qū)動運(yùn)動的。其特點(diǎn)是:抓重較高、反應(yīng)靈敏、傳動穩(wěn)定。但要求嚴(yán)格密封裝置的密封性，液壓油泄漏會產(chǎn)生對機(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)動機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣驅(qū)動運(yùn)動的。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合。綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。維護(hù)修理簡單，勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。能夠儲存能量，以便應(yīng)

19、急使用。自身具各過載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過載工作時能自動減壓(泄氣)而停止土作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。運(yùn)動速度較高。 3)機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如連桿、凸輪等)驅(qū)動運(yùn)動的。其特點(diǎn):附屬于主機(jī)之上，由工作機(jī)械進(jìn)行動力傳遞。運(yùn)動準(zhǔn)、動作大、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)直接馭動運(yùn)動的。其特點(diǎn):無需轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、簡易結(jié)構(gòu)、行程較長、維護(hù)簡單。 3.根據(jù)控制方式不同分類 l)點(diǎn)位控制。運(yùn)動軌跡為兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動，通過確定凡個點(diǎn)位置來控制整個運(yùn)動軌跡控制點(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，控制器控制整個運(yùn)動過程，運(yùn)動過程平穩(wěn)且準(zhǔn)確，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計繁瑣，此類機(jī)械手主要采用計算機(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，美國空軍和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了世界上第一臺數(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，進(jìn)而到發(fā)展到現(xiàn)今多軸(四、五軸)聯(lián)動加工中心，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)動方式主

21、要是采用伺服電機(jī)驅(qū)動，也是相對成熟的驅(qū)動技術(shù)，系統(tǒng)在直線、運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時能夠保證定位精度。不同功率通過機(jī)械設(shè)計重新組合而得以實(shí)現(xiàn)，使用普及度較高。其缺點(diǎn)是價格高、效率低，又限制其更為廣泛的應(yīng)用?？赏ㄟ^技術(shù)革新、功能開發(fā)、降低成本、提高效率等諸多方法解決這一問題。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動器是氣動肌肉，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、容易控制易等優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)器人中應(yīng)用廣泛。通過氣動肌肉，變化長度較小的缺點(diǎn)得以克服，轉(zhuǎn)動位移增大，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，此類氣動機(jī)械手定位精度相對較低，常用于特定

22、零件的裝卸。針對數(shù)控車床自動裝卸機(jī)械手的研究相對較少。本課題著眼于氣動驅(qū)動、自動裝卸的機(jī)械手的設(shè)計。 1.5機(jī)械手在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從國內(nèi)外所有機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在現(xiàn)階段，對機(jī)械手的研究和開發(fā)已趨于高潮，機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(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)展的主要動向;其二，PC機(jī)的開放型控制器是機(jī)械手體系發(fā)展的一個主要方向，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)計玲瓏，同時運(yùn)用過了模塊化架構(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，同時也引進(jìn)J'先進(jìn)的視覺傳感器、觸覺傳感器和聽覺傳感器，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)動態(tài)的仿真等。 1.6機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 國內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手，沒有“視覺”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，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視

24、覺信息，通過計算機(jī)進(jìn)行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，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?另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移來修正握力。因此，這種機(jī)械手就具有以下幾個方面的性能: 1) 能準(zhǔn)確地抓取方位變化的物體。 2) 能判斷對象的重量。 3) 能自動避開障礙物。 4) 抓空或抓力不足時能檢測出來。 這種具有感知能力并能對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的工作，在惡

25、劣環(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)用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳，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)性問題當(dāng)然也很重要，采用機(jī)械手來節(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，今后還會持續(xù)增長，只要技術(shù)方面和價格方面存在的問題獲得解決，機(jī)被手的應(yīng)用必將會飛躍發(fā)展。 1.7課題的來源及研究意義 發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓要求進(jìn)行粗車和精車。在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的氣隙通過設(shè)計的很小（氣隙磁

26、通越小電機(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)。如果檢測超出允許范圍，就必須修理或者更換電機(jī)。 因此上料的時候，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)展自動上下料已成為必然趨勢。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

27、粗車，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)械手自動上下料系統(tǒng)是機(jī)械手應(yīng)用的一個重要方面，它的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，可以大大的解放人力資源，減輕勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)及加工過程的自動化，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)自動上下料已成為一種發(fā)展趨勢。在近年來的國際機(jī)床展覽會上，國外高檔加工中心與數(shù)控機(jī)床已普遍采用機(jī)器人自動上下料裝置，國內(nèi)機(jī)床廠商也開始關(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)。本課題針對企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和發(fā)展需要，研究與開發(fā)數(shù)控外圓精

28、車的機(jī)械手自動上下料系統(tǒng)，對促進(jìn)國產(chǎn)高端制造裝備水平的提高無疑具有重要的研究與應(yīng)用價值，使系統(tǒng)的效率明顯的上一個臺階。 43 第二章 機(jī)械手設(shè)計方案 2.1機(jī)械手方案設(shè)計原則 2.1.1機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計原則 在機(jī)械零件設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)同時考慮到零件的設(shè)計要求和工藝要求。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會受到工藝要求的影響。一般應(yīng)滿足以下要求: 1)在設(shè)計時應(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，同時注意設(shè)計基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)要重合、設(shè)計基準(zhǔn)同定位基準(zhǔn)盡量保證重合。 3)在滿足零件

29、設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，同時考慮到零件制造、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)定過低影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計過高會增加成本。 2.1.2.機(jī)械手部件選材原則 機(jī)械手的設(shè)計再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(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、制造過程及成本等幾個方而，應(yīng)滿足以下要求: 1)使用性 在機(jī)器零件的設(shè)計上，通過分析零件工作條件和失效形式，對力學(xué)性能進(jìn)行分析，是使用性能的一個重點(diǎn)。 2)工藝性 通過工藝性能分析，對加工形式進(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。這項指標(biāo)也會

30、對經(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)都會涉及總體成本，材料價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，降低材料價格，壓縮成本以增加經(jīng)濟(jì)效益更大化，提高市場上產(chǎn)品競爭力，是工程設(shè)計中一貫堅持的重要原則。 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)需要自動實(shí)現(xiàn)上料并且將加工完成的工件自動取下來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)需要具有自動上下料功能、吹氣功能及其輸送功能等，其主要的設(shè)計要求如下： a) 實(shí)現(xiàn)從傳送帶取放工件到機(jī)床工作

31、臺上取放工件的整個循環(huán)過程的自動化； 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)成一個系統(tǒng)； c) 系統(tǒng)動作流程，穩(wěn)定可靠； d) 上下料的時候，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)械手動作要求 上下料動作分析：根據(jù)生產(chǎn)線體的空間位置和操作臺的具體位置，然后再根據(jù)上下料和車床的加工工藝過程和具體的工序，確定機(jī)械手需要完成的具體動作流程圖如下： 表2-1機(jī)械手動作 序號 動作名稱 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 / 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 / 23

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

34、根據(jù)任務(wù)書要求選擇用氣動元件，又考慮到該過程不需要提供很大的動力，僅需簡單，方便的元件就可以完成，考慮到大部分氣動元件都是氣缸，所以選擇用氣缸來提供動力，再根據(jù)工件為直徑30mm的轉(zhuǎn)子，質(zhì)量為0.5kg，需要完成對轉(zhuǎn)子的夾緊和松開兩個動作，根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計》選擇用氣爪來實(shí)現(xiàn)動作要求！ b）工件沿y軸翻轉(zhuǎn)90度過程： 方案一：這個過程需要將機(jī)械手翻轉(zhuǎn)90度，選擇轉(zhuǎn)動的元件實(shí)現(xiàn)功能。轉(zhuǎn)動動力一般為電機(jī)，可以由電機(jī)提供動力，電機(jī)軸直接帶動工件旋轉(zhuǎn)90度。也可以在中間加一傳動件，比如齒輪傳動，由齒輪的齒數(shù)來控制其旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)目的要求。 方案二：動力源仍舊選擇由氣壓提供，在氣缸的種類中找到能

35、將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動的氣缸。擺動氣缸就是其中的一種，所以選擇擺動氣缸來實(shí)現(xiàn)目的要求。 方案評估：該過程可以直接選擇由軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動完成，也可以選擇用將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為繞軸轉(zhuǎn)動來實(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，能夠?qū)崿F(xiàn)功能，但是這里考慮到該過程只是一個簡單的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，對精度和動力要求都不高，并且方案一使機(jī)械手更加龐大，不利于后面的設(shè)計，所以從設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，選擇第二種方案。方案二由氣壓提供動力，直接用氣缸就能實(shí)現(xiàn)功能，機(jī)械手不會變的龐大，氣動本來就很便宜，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。選用氣缸提供動力，根據(jù)《氣缸的工作原理及應(yīng)用入門》選

36、擇回轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)功能！ c）工件沿Z軸上下移動：動力源由氣動提供，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！ d）工件沿x軸的來回移動：該運(yùn)動過程是直線運(yùn)動，能夠直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動的有很多方式，比如帶傳動，或是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。也可以選擇有回轉(zhuǎn)運(yùn)動改變成之間運(yùn)動的方式，比如齒輪齒條傳動，或是絲桿的傳動。由于需要在工件在安裝時保證良好的精度和定位要求，所以需要選擇高精度的傳動原件，并且來回行程很長，為了節(jié)約工件在傳送過程中的時間的不必要浪費(fèi)，所以選擇用私服電機(jī)提供動力，滾珠絲桿傳動保證精度和傳送速度！ 根據(jù)以上各部分傳動選擇好的傳動原件，將工件和傳動原件用連接件連接起

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

38、質(zhì)，對機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行能量傳遞及控制的一門技術(shù)，簡稱為氣動技術(shù)。氣動技術(shù)近年發(fā)展迅速，其關(guān)鍵部分是氣動元件。通過氣動元件的不同組合，形成氣動控制、傳動系統(tǒng)。氣動技術(shù)傳遞信號和能量的介質(zhì)主要是空氣，通過空氣壓縮產(chǎn)生的氣壓進(jìn)行控制的一門技術(shù)，主要是氣動控制和氣壓傳動兩部分內(nèi)容。氣動技術(shù)突破原有理念，在汽車、機(jī)械、醫(yī)療等多個領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用，己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。 液壓與氣動是兩種應(yīng)用廣泛的傳動技術(shù)，兩者相對比，各有優(yōu)缺點(diǎn)。氣動技術(shù)相對于液壓技術(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合， 2.綠

39、色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。 3.維護(hù)修理簡單，勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 4.氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。 5.能夠儲存能量，以便應(yīng)急使用。 6.自身具備過載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過載工作時能自動減壓(泄氣)而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。 7.運(yùn)動速度較高。 氣動技術(shù)相對于液壓技術(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較低，穩(wěn)定性相對較差，不利于進(jìn)行

40、精確的位置控制和速度控制 3.設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大噪音。 4.信號傳遞速度相對較低，延遲、失真情況明顯，不便用于需要高速、精確傳遞，信號傳送距離有限。 國外將氣動稱為“廉價技術(shù)、自動化技術(shù)”。氣動裝置在現(xiàn)今自動化工業(yè)中地位十分重要。氣動技術(shù)具有抗燃、無污染、原料易獲得等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究。由于氣動技術(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)自動化部門應(yīng)用日益廣泛。氣動技術(shù)與液壓、電器等新興技術(shù)共同成為自動化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)。其發(fā)展趨勢正在向微型化、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

41、蓋，密封裝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壓力的空氣推動活塞移動，活塞桿連接在活塞上隨活塞一起運(yùn)動，活塞桿連接執(zhí)行件，通過改變進(jìn)氣方向，改變活塞桿的移動方向從而改變執(zhí)行件的運(yùn)動狀態(tài)。 失效形式:活塞卡死，不動作;氣缸無力，密封圈磨損，漏氣。 氣缸的種類：氣缸有做往復(fù)直線運(yùn)動的和做往復(fù)擺動的兩類。做往復(fù)直線運(yùn)動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，在一個或兩個方向輸出力。 2.膜片式氣缸：用膜片代替活塞

42、，只在一個方向輸出力，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)動的動能，借以做功。做往復(fù)擺動的氣缸稱擺動氣缸，由葉片將內(nèi)腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動運(yùn)動，擺動角小于 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)動往復(fù)運(yùn)動的氣缸、擺動運(yùn)動的擺動氣缸、氣爪等。 氣缸的密封：用來防止氣壓泄露一般采用密封圈，回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動處的部件密封稱為動密封，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

43、的力，是氣缸所帶動負(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，氣缸的推力計算公式為： 氣缸推力計算公式為： （3-1） 氣缸拉力計算公式為： （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

44、計算公式僅適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候，向上的推力約為理論計算值的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，計算時候可以認(rèn)為相等來考慮。 另外，選定氣缸的行程時，要確定工作的移動距離，考慮工作狀況是滿行程還是預(yù)留行程，當(dāng)行程超過工作狀況的最長行程的時候，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)氣缸的潤滑方式，有給油潤滑氣缸和無給油潤滑氣缸，根據(jù)氣缸的選型方法，可知本次機(jī)械手上下料設(shè)計中氣缸的選擇是關(guān)鍵！ 3.4氣爪的設(shè)

45、計 3.4.1氣爪的介紹 氣爪即是氣動手爪，是一種變形氣缸。它用來抓取物體，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動作，氣動手爪常用于搬運(yùn)。它有平行開合手指，肘節(jié)擺動開合手爪、有兩爪、二爪和四爪等類型，其中兩爪中有平開式和支點(diǎn)開閉式驅(qū)動方式有直線式和旋轉(zhuǎn)式。 氣動手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動各個手爪同步做開、閉運(yùn)動。適用于多塵，多屑的場合。 因此，根據(jù)手動氣爪的這些功能和設(shè)計要求，參考平開直線式手爪的原理，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理如下： 圖3-2 氣爪 當(dāng)A口進(jìn)氣B口排氣時，氣缸活塞桿2伸出，通過杠桿3繞杠桿軸7回轉(zhuǎn)，帶動兩個手指5通過一

46、組鋼球11在導(dǎo)軌4上做外直線運(yùn)動，兩手指便張開，松開工件。制動塊6限制工件行程，定位銷13保證直線導(dǎo)軌不錯位。 3.4.2氣缸的選型 負(fù)載的計算：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

47、.5N， （3-6） 這樣每個手指提供的合力： F= (3-7) = =34.6N`` 每個手爪需要橫向移動的距離為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 缸徑的計算：氣缸直徑的設(shè)計計算需根據(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。如圖所示： 圖3-4 氣動氣缸 3.5旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計 3.5.1傳動件

49、的選擇 旋轉(zhuǎn)裝置主要動力為氣動，所以首選氣缸為擺動氣缸。擺動氣缸根據(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：單葉片式擺動氣缸的結(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，右路排氣，壓縮空氣推動葉片帶動轉(zhuǎn)了順時針擺動。反之，作逆時針擺動。 葉片式擺動氣缸體積小，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合，如夾具的回轉(zhuǎn)，閥門

50、開閉及工作臺轉(zhuǎn)位等。 1．葉片葉子 2. 轉(zhuǎn)子 3. 定子 4. 缸體 圖3-5 葉片式擺動氣缸 齒輪齒條式氣缸：齒輪齒條式擺動氣缸是通過連接在活塞上的齒條使齒輪回轉(zhuǎn)的一種擺動氣缸，其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。 活塞僅作往復(fù)直線運(yùn)動，摩擦損失少，齒輪傳動的效率較高，此擺動氣缸效率可達(dá)到95%左右。 圖3-6 齒輪齒條式擺動氣缸 根據(jù)齒輪齒條式和葉片式兩種氣缸的對比，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氣缸來完成所需運(yùn)動。 3.5.2齒輪齒條式氣缸的設(shè)計 3.5.2.1齒輪軸的材料選擇 此次設(shè)計屬

51、于精密設(shè)計，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 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》表12.3選取 m=1.5 中心距a的確定 由設(shè)計得中心距為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： 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參數(shù)，這里不再重復(fù)。旋轉(zhuǎn)90度之后齒輪軸轉(zhuǎn)過的距離：

53、 s= =23.55mm (3-11) 齒距=4.7，所以齒條走過了5個齒，這里需要齒條的有效長度大于行程s，增加三個齒的長度保證齒輪運(yùn)行正常，即齒條齒數(shù)為8. 3.5.2.4齒條疲勞強(qiáng)度的計算： 1. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 (3-12) 齒寬系數(shù)：由《機(jī)械設(shè)計》表12.13查的=0.8. (3-13) 為使用系數(shù)，查表12.9得： =1.5 為動載系數(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，計算接觸疲勞許用應(yīng)力 [] （3-16） 其中上述[] = 990 ，[]=1000

55、 所以可以計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.

56、38=3.65 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)載的計算：由該氣缸的輸出軸上所要承受的有兩個氣爪的重力，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

57、排氣時所受到的沖擊力。考慮到該機(jī)械手主要是傳遞運(yùn)動，所傳遞的動力很小，工件的質(zhì)量也很小，所以主要計算其所受的重力，將結(jié)果乘以1.5倍為負(fù)載的大小。 兩個氣爪質(zhì)量總計： 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

58、 （3-21） F=88.2N 負(fù)載率： 該轉(zhuǎn)動過程對轉(zhuǎn)動速度要求不高，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

59、-23） =212N 氣缸的表面積S根據(jù)設(shè)計尺寸確定 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： 計算值為所選值的70%

60、 P=0.3MPa 3.6連接座的設(shè)計 3.6.1連接座整體設(shè)計 旋轉(zhuǎn)支座主要起到連接回轉(zhuǎn)氣缸軸和兩個氣爪的作用，用來傳遞由回轉(zhuǎn)氣缸輸出的轉(zhuǎn)矩，帶動兩個氣爪旋轉(zhuǎn)90度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下料交替的過程。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)械手上下料時相對工作臺的空間位置，設(shè)計出旋轉(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，對強(qiáng)度要求不大，所以選擇材料為HT200，零件通過鑄造而成。 3.6.2氣爪和連接座螺釘?shù)暮唵涡：? 兩個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?。焊鶕?jù)《畫法幾何及工程制圖》

61、附錄表8選擇內(nèi)六角頭螺釘（GB/T 70.1-2000） 螺釘為M6×12全螺紋，數(shù)量為8個。螺釘?shù)燃墳?.8級的中碳鋼。 圖3-8 內(nèi)六角圓柱頭螺釘 螺釘安全校核的簡單計算： 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》表6—4得： = =2.5 (4-3) 的計算： 根據(jù)螺釘?shù)燃墳?.8級，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上下移動裝置的設(shè)計 3.7.1上下移動裝置的選擇 這里上下移動裝置仍舊考慮用氣缸來完成，主要是帶動回轉(zhuǎn)氣缸和氣爪沿Z軸上下移動，移動距離為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，主要用于長行程的場合，由于行程比一般的氣缸的行程長，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行程的過程不會發(fā)生偏移，使導(dǎo)向精度更高，同時也增強(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)計的具體要求，對雙軸氣缸做了一點(diǎn)改進(jìn)，將導(dǎo)桿放在中間，兩邊分別

64、為活塞桿，在雙軸氣缸的原理上增加了一個活塞桿。因?yàn)檫@里氣缸主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動，考慮到行程略長，所以參考雙軸氣缸的原理，上下運(yùn)動的時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)計一個導(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)動的過程中保證足夠的強(qiáng)度，在另一端增加一個活塞桿，這樣兩個活塞桿在導(dǎo)桿的導(dǎo)向作用下做來回長行程的運(yùn)動，不發(fā)生偏移，保證了工作的需要設(shè)計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.

65、密封圈 16 端蓋 17. O型環(huán) 18擋塊 圖3-9 上下移動裝置 該裝置作用原理為氣孔通氣，氣體進(jìn)入缸體后推動活塞10向下移動，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，活塞桿12連接工件，從而工件被活塞桿12推動做向下的運(yùn)動，另一個氣孔通氣時活塞桿12帶動工件做反向運(yùn)動，擋塊18起到做定位作用，調(diào)節(jié)螺栓14調(diào)節(jié)工件上下移動的行程。 3.7.2雙軸氣缸的計算 負(fù)載力的計算：主要受到各物體的重力和氣缸翻轉(zhuǎn)時受到的離心力，該氣缸所受的重力為前面各元件質(zhì)量的總和： G= (

66、3-27) =98N 負(fù)載力大小為： f=1.5G=147N (3-28) 負(fù)載率： 該轉(zhuǎn)動過程對轉(zhuǎn)動速度要求不高，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)計缸體內(nèi)表面直徑D： D=56mm 設(shè)計導(dǎo)桿直徑為： =16mm 設(shè)計活塞桿直徑： =12mm 氣缸壓力p： P= (3-30) =0.24MPa 所選氣缸壓力值：