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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 33 頁(yè) 共 33 頁(yè)
1 緒論
隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已愈來(lái)愈引起人們的重視。
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(chēng)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。
1.1 機(jī)械手及其組成
1.1.1 什么是機(jī)械手
機(jī)械手是一種能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。機(jī)械手是工廠企業(yè)高度自動(dòng)化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動(dòng)，尤其對(duì)于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機(jī)械手起到了不可取代的作用。
1.1.2 機(jī)械手的組成
機(jī)械手的組成及其相互之間的關(guān)系如圖所示。
驅(qū)動(dòng)部分
傳送機(jī)構(gòu)
控制部分
行程檢測(cè)裝置
手部
傳感裝置
被傳送物件
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)裝置等組成。
（一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
1、 手部 即與物件接觸的部件。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。
2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。
3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。
4、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。
5、行走機(jī)構(gòu) 機(jī)械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的或是無(wú)軌的兩種。
6、機(jī)座 它是機(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)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。
7、其它部分 行程檢測(cè)裝置和傳感裝置等。
行程檢測(cè)裝置是檢測(cè)和控制機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)行程（位置）的裝置。
傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物件是否接觸、物件有無(wú)滑下或脫落、物件的位置是否準(zhǔn)確、手指對(duì)物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)。
（二）、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
1.2 機(jī)械手的分類(lèi)
㈠、按機(jī)械手的使用范圍分類(lèi)：
⑴ 專(zhuān)用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無(wú)單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線，用以自動(dòng)的傳送物件或操作某一工具。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
⑵ 通用機(jī)械手（也稱(chēng)工業(yè)機(jī)器人）即指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機(jī)器，而能自動(dòng)地完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。
㈡、按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)：
⑴ 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
⑵ 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
⑶ 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
⑷ 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
㈢、按機(jī)械手臂力大小分類(lèi)：
⑴ 微型機(jī)械手 臂力小于1公斤。
⑵ 小型機(jī)械手 臂力為1～10公斤。
⑶ 中型機(jī)械手 臂力為10～30公斤。
⑷ 大型機(jī)械手 臂力大于30公斤。
㈣ 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)例。其它部門(mén)，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的主要目的：
一、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，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作時(shí)有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。
在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)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)機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。
綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢(shì)。
1.4 機(jī)械手的發(fā)展概況
1.4.1 對(duì)機(jī)械手的一般要求：
1、 降低機(jī)械手的成本 為了擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍，必須降低機(jī)械手的成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。
2、 品種多樣化 為了適應(yīng)不同工作的需要，應(yīng)使的機(jī)械手的品種多樣化，用機(jī)械手代替更多的人的手工勞動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。特別是那些工作比較單一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動(dòng)量較大的工種，更應(yīng)注意設(shè)計(jì)和使用各種類(lèi)型的機(jī)械手。
3、 零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化 為了加速擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計(jì)和制造周期。這樣，就要求機(jī)械手的某種零件、部件(如手部、臂部等）系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件（或再相應(yīng)地增加一些其它零件、部件）進(jìn)行組合，組成需要的機(jī)械手。當(dāng)然，這樣的機(jī)械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時(shí)，就能迅速而順利的重新組合。
4、 產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠 機(jī)械手的重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能應(yīng)穩(wěn)定可靠。為此，要求設(shè)計(jì)合理，元件穩(wěn)定，制造精確。
1.4.2 機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)械手是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、液壓液力與氣壓傳動(dòng)等多學(xué)科高新技術(shù)融合的成果，是當(dāng)代技術(shù)進(jìn)步的典型范例。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其它機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門(mén)操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手。
專(zhuān)用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣壓傳動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。
氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)已被接受。由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來(lái)。因?yàn)闅鈩?dòng)伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，同時(shí)為氣動(dòng)機(jī)器人、氣動(dòng)機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域開(kāi)辟了十分寬廣的前景。
研制具有一定“感觸”和“智力”的智能機(jī)器人。這種機(jī)器人，具有各種傳感裝置，并配備有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)起“大腦”，使它能“思考”、能“分析”、能“記憶”。用電視攝像機(jī)、測(cè)距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為“眼睛”，在其“視野”的范圍內(nèi)能“看”。用聽(tīng)筒和聲敏元件等作“耳朵”能“聽(tīng)”。用揚(yáng)聲器等作“嘴”能“說(shuō)話”進(jìn)行“應(yīng)答”。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作“觸覺(jué)”能“感觸”。用滾輪或雙足式的行走機(jī)構(gòu)作為“腳”來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)器人，可以由人用特殊的語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)。受令后的智能機(jī)器人，即可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的各種條件或信息，獨(dú)立地“分析”和“判斷”并自編或自變程序的進(jìn)行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開(kāi)障礙物。因此，它將成為“無(wú)人化”系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體方案
由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要通過(guò)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的三個(gè)方向上的自由度如：手臂的上下的升降運(yùn)動(dòng)、手臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)、手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及用氣壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)按軌道運(yùn)動(dòng)。總體設(shè)計(jì)方案如下面的框圖所示：
左右回轉(zhuǎn)氣缸
前后伸縮氣缸
上下升降氣缸
手指夾緊氣缸
機(jī) 械 手
手 臂
小 車(chē)
氣壓馬達(dá)
減
速
裝置
輪
子
空氣壓縮機(jī)
控制調(diào)節(jié)裝置（各類(lèi)閥類(lèi)）
控制系統(tǒng)壓力、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度
氣 泵
設(shè)計(jì)示意圖如下所示
機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于采用積木式連接，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、實(shí)用。
2.2機(jī)器人的規(guī)格參數(shù)
該機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式。
（一） 機(jī)器手的參數(shù)：
1、主參數(shù) 機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤。
2、基本參數(shù) 運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低則限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1200毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200/秒。平均移動(dòng)速度為1000毫米/秒，平均回轉(zhuǎn)速度為900/秒。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有起動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度—行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。則手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為900/秒。
除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600毫米，最大工作半徑為1500毫米，手臂安裝前后可調(diào)200毫米。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝方位可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的適用范圍。手臂升降行程定為150毫米。
氣壓驅(qū)動(dòng)工作壓力P為4～6公斤/厘米2。
機(jī)械手臂定位和緩沖采用機(jī)械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5~±1毫米。
2.3 氣動(dòng)部件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要分析
1、 氣缸 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。它可以輸出力，驅(qū)動(dòng)工作部分作直線運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)。氣缸是由缸體、活塞、活塞桿、密封件及緊固件等組成。氣缸的種類(lèi)很多，主要有單作用氣缸、雙作用氣缸、組合氣缸，擺動(dòng)氣缸。單作用氣缸又可分為柱塞式氣缸、活塞式氣缸、薄膜式氣缸；雙作用氣缸又可分為普通氣缸、雙活塞桿氣缸、不可調(diào)緩沖氣缸、可調(diào)緩沖氣缸、活塞帶導(dǎo)向桿氣缸、串聯(lián)式氣缸；組合氣缸又可分為氣液阻尼缸和步進(jìn)式氣缸；擺動(dòng)氣缸又可分為單葉片擺動(dòng)氣缸和雙葉片擺動(dòng)氣缸。
本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)中 ：
① 手臂的升降機(jī)構(gòu)中采用了單作用氣缸中的柱塞式氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞單方向向上運(yùn)動(dòng)，借助自重下降。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又實(shí)用。
② 手臂的前后伸縮機(jī)構(gòu)中采用了雙作用氣缸中的普通氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞雙向運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用很廣泛。
③ 手臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中采用了擺動(dòng)氣缸中的單葉片擺動(dòng)氣缸，將壓縮空氣的能量變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，擺動(dòng)角度小于3600。剛開(kāi)始打算采用兩個(gè)直動(dòng)氣缸帶動(dòng)鏈條鏈輪或帶動(dòng)齒條齒輪來(lái)獲得回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)設(shè)計(jì)方案的比較得出采用回轉(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)要緊湊的多，所以還是采用了擺動(dòng)氣缸。
④ 手指夾緊氣缸中我采用了單作用氣缸中的活塞式氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞但方向運(yùn)動(dòng)，借助彈簧力反向運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓縮空氣用量較柱塞式少。
2、 空氣控制閥 空氣控制閥是氣動(dòng)控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進(jìn)行工作?？諝饪刂崎y按其作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類(lèi)。
n 壓力控制閥根據(jù)它的作用不同又可分為：調(diào)壓法、安全閥和順序閥。
n 流量控制閥是用來(lái)調(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的流量、流速以及改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度。它主要有截流閥、單向截流閥和排氣節(jié)流閥。
n 方向控制閥是用來(lái)控制氣流的方向、氣路的通斷，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作發(fā)生變化的氣動(dòng)元件。方向控制閥按閥內(nèi)氣流的方向分：?jiǎn)蜗蛐头较蚩刂崎y，它只允許氣流沿一個(gè)方向流動(dòng)。如單向閥、快速排氣閥等；換向型方向閥，它可以改變氣流流動(dòng)的方向。按控制方式分：電磁、氣壓、機(jī)械和人力等控制方法實(shí)現(xiàn)。按動(dòng)作方式可分為：直動(dòng)式和先導(dǎo)式。按聯(lián)結(jié)方式分：管式連接、板式連接和法蘭連接式連接。
本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)中：
經(jīng)過(guò)考慮和分析后，在不光滿(mǎn)足各氣路要求的條件下又考慮到控制閥的統(tǒng)一性和方便性，我統(tǒng)一選擇了型號(hào)為Q24D2H-15-S1的電磁方向控制閥。
各氣缸凡能采用排氣節(jié)流方式的，都通過(guò)電磁閥的排氣口節(jié)流阻尼螺釘（錐面式）調(diào)速。
手臂前后伸縮氣缸的氣路上，在最接近氣缸處，裝有兩個(gè)快速排氣閥，以加快啟動(dòng)速度和調(diào)節(jié)全行程上的速度，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥又可使其加速度限制在允許的范圍內(nèi)，以減少制動(dòng)時(shí)的慣性沖擊，提高定位精度。
手臂的上下升降則采用進(jìn)氣節(jié)流方式，用一個(gè)單向節(jié)流閥調(diào)整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有電磁閥排氣口節(jié)流調(diào)整。
3、氣動(dòng)基本回路 氣動(dòng)回路和液壓回路相比，有幾方面的不同；
一臺(tái)氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)有時(shí)比較復(fù)雜，但經(jīng)過(guò)剖析卻不外乎一些基本回路所組成。掌握了氣動(dòng)基本回路以后，對(duì)分析和設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)都有較大的幫助。
第一， 空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣首先儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中，然后供給各個(gè)回路使用。畫(huà)氣動(dòng)回路圖示空氣壓縮機(jī)常省略不畫(huà)，但設(shè)計(jì)氣動(dòng)?xùn)|回路時(shí)，不要忘記考慮氣源的能力。
第二， 氣動(dòng)回路使用過(guò)的空氣是經(jīng)排氣口排入大氣的，因而不設(shè)回氣管道來(lái)回收空氣。
第三， 由于空氣的粘性很小，在管路中的壓力損失較小。因此，在盡量縮短氣動(dòng)管路的情況下管路仍然很長(zhǎng)，并不妨礙使用。
由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，以氣缸應(yīng)用最廣泛，故下面所論及的基本回路均以氣缸為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，最簡(jiǎn)便的方法是把選定的完成不同任務(wù)的基本回路組合起來(lái)。
氣動(dòng)基本回路的種類(lèi)：氣動(dòng)基本回路的種類(lèi)很多，為了便于設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)回路，僅將氣動(dòng)基本回路按方向控制回路和速度控制回路兩方面加以敘述。
① 方向控制回路
（一）單作用氣缸中間停止回路（圖2-1）
這種回路可使活塞停在氣缸中間的任意位置。當(dāng)三位三通電磁閥的滑閥處在中間位置時(shí)，氣缸的通路封閉，活塞停止運(yùn)動(dòng)?；y處在位置I時(shí)，活塞下腔進(jìn)氣，推動(dòng)活塞桿伸出?；y處在位置II時(shí)，活塞下腔排氣，彈簧力推動(dòng)活塞下行。
（二）雙作用氣缸換向回路（圖2-2）
采用二位五通單電控滑閥控制活塞雙向運(yùn)動(dòng)。圖示位置，活塞右腔進(jìn)氣，左腔排氣，活塞向左運(yùn)動(dòng)。滑閥切換后，活塞左腔進(jìn)氣，右腔排氣，實(shí)現(xiàn)了氣缸活塞的換向。這種回路時(shí)雙作用氣缸的最基本的換向回路。
2—1單作用氣缸中間停止回路
2—2雙作用氣缸換向回路
（三）雙作用氣缸的活塞可在任意位置停止的回路
圖2-3所示為單活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當(dāng)滑閥處在中間位置時(shí)，各口互不相通，活塞可停留在氣缸的任意位置。這種回路不允許有漏損，這樣才能保證氣缸可靠地工作。在氣缸終端需要保持活塞固定的停止位置時(shí)，也使用這種回路。
圖2-4所示為雙活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當(dāng)滑閥處在中間位置時(shí)，壓縮空氣同時(shí)與活塞左、右兩腔相通。因兩腔活塞的有效受壓面積相等，從而保證了活塞兩腔同時(shí)受壓時(shí)，活塞能停留在任意位置。但當(dāng)外界加在活塞桿上的軸向力不平衡時(shí)，則活塞停止的位置不穩(wěn)定。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可增設(shè)調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)解，控制活塞兩側(cè)壓力平衡，如圖2-5所示。這種回路可允許有少量漏損，比采用中封式閥較可靠。
（四）延時(shí)控制回路
圖2-6所示的延時(shí)控制回路，為控制信號(hào)A使二位四通單氣控滑閥1切換時(shí)，壓縮空氣經(jīng)閥1、單向節(jié)流閥3向氣容4充氣，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，氣容壓力達(dá)到一定數(shù)值，控制二位三通氣控閥2切換。壓縮空氣經(jīng)閥2的B口輸往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。信號(hào)A取消后，閥1又彈簧復(fù)位，壓縮空氣控制閥2也復(fù)位而關(guān)閉，B口無(wú)輸出。氣容4中的空氣經(jīng)閥3的單向閥、閥1而排空。
延時(shí)控制回路用于不允許使用時(shí)間繼電器的場(chǎng)合，如易燃、易爆和大粉塵的場(chǎng)合。
2—4雙活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—3單活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—5帶調(diào)壓閥的雙活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—6 延時(shí)控制回路
② 速度控制回路
（一）單作用氣缸的速度控制回路（圖2-7）
它由二位三通單電控滑閥1和兩個(gè)單向節(jié)流閥2和3所組成。閥1使氣缸換向，閥2 的節(jié)流閥控制氣缸活塞桿的伸出速度。閥3的節(jié)流閥控制活塞桿的退回速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度，可以改變活塞雙向的運(yùn)動(dòng)速度。
2—7單作用氣缸的速度控制回路
（二）雙作用氣缸單向速度控制回路（圖2-8）
該回路是在氣缸的一個(gè)氣路上裝設(shè)單向節(jié)流閥1。圖示位置為壓縮空氣經(jīng)二位五通單電控滑閥2和閥1的單向閥進(jìn)入氣缸活塞的右腔，推動(dòng)活塞左移。當(dāng)閥2切換后，活塞右腔的排氣速度受閥1可調(diào)節(jié)流閥的限制，從而控制了活塞桿的伸出速度。由于背壓的存在，也增加了氣缸工作行程的穩(wěn)定性。除此之外。活塞返回行程的急回運(yùn)動(dòng)，也可用來(lái)提高機(jī)器的生產(chǎn)率。
2—8 雙作用氣缸單向速度控制回路
（三）雙作用氣缸雙向速度控制回路
圖2-9所示是將兩個(gè)單向節(jié)流閥裝在氣缸的兩條氣路上，分別控制活塞兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的排氣速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可得到活塞不同的運(yùn)動(dòng)速度。
2—9 雙作用氣缸雙向速度控制回路
圖2-10所示是帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路。它是將節(jié)流閥安裝在二位五通單電控滑閥的排氣口上。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可控制氣缸的排氣速度，從而使活塞得到不同的運(yùn)動(dòng)速度。這種回路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。
2—10帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路
圖2-11所示使活塞可得到快速運(yùn)動(dòng)的速度控制回路。它是在單向節(jié)流閥1和2的后面氣路上并聯(lián)了二位二通閥3和4。這樣，不僅可以由閥1和閥2來(lái)調(diào)節(jié)（排氣節(jié)流）活塞兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度，而且當(dāng)閥3打開(kāi)時(shí)，則活塞可快速左行。二位五通單電控滑閥5切換后，若閥4打開(kāi)，則活塞可快速右行。因此，可根據(jù)需要得到活塞雙向的快速運(yùn)動(dòng)。
2—11活塞做快速運(yùn)動(dòng)的速度控制回路
（四）雙作用氣缸速回運(yùn)動(dòng)控制回路
該回路當(dāng)活塞桿右行時(shí)，壓縮空氣經(jīng)由二位五通單電控滑閥3和快速排氣閥2進(jìn)入氣缸活塞的左腔，推動(dòng)活塞右行。此時(shí)，氣缸右腔的空氣經(jīng)單向節(jié)流閥1節(jié)流控制后排空。閥3切換（圖示位置）后，壓縮空氣經(jīng)閥1的單向閥進(jìn)入氣缸的右腔。此時(shí)，氣缸左腔的空氣從閥2快速排入大氣，獲得急回運(yùn)動(dòng)。這種回路要求氣缸附加緩沖裝置。
2—12雙作用氣缸速回運(yùn)動(dòng)控制回路
（一） 雙缸同步動(dòng)作的速度控制回路
該回路時(shí)采用一個(gè)二位四通單電控滑閥來(lái)控制兩個(gè)氣缸，并在每個(gè)氣缸的氣路中裝設(shè)單向節(jié)流閥，以調(diào)整和控制活塞的速度，使之達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)的目的。如用雙缸或多缸操縱一個(gè)重型框架起落時(shí)，同步舉升或降落極為重要，否則框架被扭斜將產(chǎn)生很大的附加阻力，甚至不能運(yùn)動(dòng)。這種回路應(yīng)以阻力最大的那個(gè)氣缸為準(zhǔn)，調(diào)整其它缸的運(yùn)動(dòng)速度以達(dá)到同步的目的。
（二） 氣液操作缸同步回路
圖2-14所示的同步回路是由于連接兩個(gè)氣液操作缸被封入油液，所以?xún)苫钊倪\(yùn)動(dòng)速度可完全同步。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到缸5有桿腔和缸4無(wú)桿腔有效面積的關(guān)系，當(dāng)有效面積相等時(shí)，兩缸獲同步運(yùn)動(dòng)。也可以設(shè)計(jì)成兩缸按一定比例的速度運(yùn)動(dòng)。
2—13雙缸同步動(dòng)作的速度控制回路
2—14氣液操作缸同步回路
（三） 緩沖回路
對(duì)可調(diào)行程位置的氣缸（如某些機(jī)械手的氣缸）緩沖問(wèn)題，可采用緩沖回路來(lái)解決。
圖2-15所示的緩沖回路，是在氣缸的兩條氣路上并聯(lián)兩個(gè)二位二通閥1和2。在閥1和閥2的排氣口裝設(shè)節(jié)流螺釘。并在回路中的二位五通雙電控滑閥3的兩個(gè)排氣口上也裝設(shè)節(jié)流螺釘。調(diào)節(jié)閥1和閥2的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞快速行程時(shí)的速度。調(diào)節(jié)閥3的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞的減速。從而達(dá)到減速緩沖的目的。
2—15裝設(shè)節(jié)流螺釘?shù)木彌_回路
圖2-16所示的緩沖回路，是在單向節(jié)流閥3和4的氣路上并聯(lián)二位二通閥1和閥2。并在二位五通雙電控滑閥5的排氣口上裝設(shè)節(jié)流螺釘?；钊焖傩谐虝r(shí)，閥1（或閥2）切換，排氣腔的空氣經(jīng)閥1（或閥2）和閥5排出，調(diào)節(jié)閥5的節(jié)流螺釘，可控制快速行程時(shí)的速度。減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥1（或閥2）復(fù)位關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥3和閥4的節(jié)流閥以控制減速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到減速緩沖的目的。
圖2-17所示為操作氣缸采用油液阻尼的緩沖回路。操作缸1兩條氣路上的快速排氣閥2和3為快速行程時(shí)排氣所用。缸1活塞右行時(shí)，快速運(yùn)動(dòng)到固結(jié)在缸1活塞桿上的撞塊與擋塊II碰撞后，帶動(dòng)油缸5活塞桿開(kāi)始減速右行直到停止，在此減速過(guò)程中，缸5活塞右腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥6節(jié)流阻尼后，經(jīng)單向節(jié)流閥7的單向閥進(jìn)入缸5的左腔。缸1活塞左行時(shí)，撞塊碰撞擋塊I后，油缸5活塞桿開(kāi)始減速左行，直到停止。補(bǔ)油裝置8用作向缸5補(bǔ)油。
2—16裝設(shè)單向節(jié)流閥的緩沖 回路
2—17采用油液阻尼的緩沖回路
在本次設(shè)計(jì)機(jī)械手中我主要用到了其中的氣動(dòng)基本回路為雙作用氣缸換向回路、單作用氣缸的進(jìn)氣調(diào)速回路、雙作用氣缸單向速度控制回路、帶有排氣截流閥的速度控制回路。
3 機(jī)械手的計(jì)算
3.1 設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問(wèn)題
手臂的結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、工作范圍、定位精度以及機(jī)械手的整體布局等因素決定的。手臂結(jié)構(gòu)是否設(shè)計(jì)的合理，對(duì)機(jī)械手的工作性能有著很大的影響，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)是，除了考慮上述諸因素外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
Ⅰ、應(yīng)使手臂剛度大、重量輕
由于機(jī)械手的手臂一般懸伸長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，若手臂的剛度不夠時(shí)，會(huì)發(fā)生手臂彎曲變形過(guò)大，就會(huì)引起手臂的定位不準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿（即手臂）運(yùn)動(dòng)的靈活性。另外，手臂在起動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中受到慣性力或慣性力矩的作用，手臂將發(fā)生顫動(dòng)，由于手臂的顫動(dòng)，也會(huì)影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對(duì)手臂結(jié)構(gòu)有一定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確的工作和一定的定位精度。
Ⅱ、應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性小
為了減小慣性沖擊，一般采取的措施有：
⑴ 手臂架選用鋁合金等輕質(zhì)材料來(lái)制造，以減輕手臂運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量。
⑵ 盡量縮短手臂懸伸部分的長(zhǎng)度，使手臂未伸出時(shí)的總重量的重心偏于伸縮方向的反側(cè)，以減小回轉(zhuǎn)半徑。
⑶ 減小手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊。
⑷ 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)緩沖裝置，使運(yùn)動(dòng)件減速緩沖。
Ⅲ、手臂動(dòng)作應(yīng)靈活
為使手臂運(yùn)行輕快、靈活，除手臂本身結(jié)構(gòu)緊湊輕巧外，應(yīng)減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸伸式的機(jī)械手，手臂上零部件（如傳動(dòng)件、導(dǎo)向件、定位件等）的布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡量保持平衡，以減少對(duì)升降支承軸線的偏重力矩，使手臂運(yùn)動(dòng)靈活，防止發(fā)生“卡死”（即自鎖）現(xiàn)象。
Ⅳ、應(yīng)使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確、導(dǎo)向性好
為了能準(zhǔn)確的傳遞工件和保證傳動(dòng)的平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)有導(dǎo)向支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強(qiáng)手臂的剛性。另外裝在手臂上的零部件要求便于裝拆和調(diào)整。
Ⅴ、輸氣管道的布置應(yīng)合理
機(jī)械手上的各工作氣缸彼此在空間作相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊、動(dòng)作靈活，因此對(duì)各個(gè)工作氣缸的輸氣管道布置應(yīng)給予足夠的重視，尤其是接近工作對(duì)象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向氣缸輸入壓縮空氣，雖然軟管安裝維修較方便，但是他會(huì)影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，并易損傷，而且手臂外形不整齊。
Ⅵ、其他要求
對(duì)于在粉塵場(chǎng)合工作的機(jī)械手，應(yīng)設(shè)有防塵裝置等。
3.1.1 手臂的計(jì)算
氣缸的計(jì)算：
氣缸的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)作用在活塞桿上的外力（推力或拉力）的大小、活塞的行程和運(yùn)動(dòng)速度以及安裝形式等方面提出的要求來(lái)進(jìn)行。
氣缸的容積要選擇的適宜，過(guò)大的容積不僅及使缸體的尺寸重量增加，同時(shí)使壓縮空氣的需要量增加，造成了浪費(fèi)和增加了成本。
活塞的行程是決定氣缸長(zhǎng)度的主要參數(shù)，形成過(guò)長(zhǎng)隊(duì)壓桿的穩(wěn)定性當(dāng)然不好，對(duì)缸筒的加工業(yè)會(huì)帶來(lái)困難。另一方面活塞的運(yùn)動(dòng)速度決定與氣缸進(jìn)氣管道內(nèi)徑的大小，活塞的運(yùn)動(dòng)速度越高，則要求進(jìn)氣管道的直徑越大。目前氣缸的運(yùn)動(dòng)速度由于各方面條件的限制，一般速度的最大值不超過(guò)1.2米/秒。
氣缸的選擇參考下表：
氣缸的有關(guān)尺寸參數(shù)：
氣缸
直徑
(mm)
活塞
桿直
徑
供氣孔直徑
（英制管螺
紋）
氣缸端
蓋螺栓
d*個(gè)數(shù)
工作壓力（共斤/厘米2）
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
活塞推力（公斤）不計(jì)效率
活塞推力（公斤）不計(jì)效率
50
16
G1/4”
M6*4
39
59
78
98
118
35
53
70
88
103
75
20
G1/4”
M8*4
88
133
177
211
265
82
123
164
205
247
100
25
G1/4”-3/8”
M10*4
157
235
314
392
471
147
221
294
368
442
125
30
G1/4”-3/8”
M10*4
245
368
491
613
736
231
347
462
578
694
150
30
G3/8”-1/2”
M10*6
353
530
707
883
1060
339
509
678
848
1018
200
40
G3/8”-1/2”
M12*6
628
943
1257
1571
1885
603
905
1206
1508
1810
250
50
G1/2”-3/4”
M16*6
982
1473
1964
2454
2945
943
141411885
1885
2356
2828
300
55
G1/2”-3/4”
M16*6
1414
2121
2828
3534
4241
1366
2049
2732
3415
4099
2、氣缸壁厚的計(jì)算：氣缸的內(nèi)景D確定后，有強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的氣缸壁厚d，，再根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)來(lái)確定適當(dāng)?shù)臄?shù)值。依據(jù)材料力學(xué)的薄壁筒公式，氣缸的壁厚d可在下表查出：
材 料
氣 缸 內(nèi) 徑 D (毫米)
50
75
100
120
150
200
250
300
氣 缸 壁 厚 d（毫米）
鑄鐵HT15-33
7
8
10
10
12
12
16
16
鋼A3,鋼A5
5
5
6
6
8
8
10
10
鋁合金ZL3
8~10
8~10
10~12
10~12
12~14
12~14
14~17
14~17
升降氣缸的壁厚d：缸徑?125毫米，氣缸材料選鋼A3，則d為6毫米。
前后伸縮氣缸的壁厚d：缸徑為?100毫米，氣缸材料選鋼A3，則d為6毫米。
手指夾緊氣缸的壁厚d: 缸徑?50毫米，氣缸材料選鋼A3，則 d為5毫米。
I、升降氣缸的參數(shù)及計(jì)算：
升降氣缸由氣動(dòng)上升，靠自重下降，行程150毫米，缸徑?125毫米，活塞桿直徑為30毫米，升降速度為500毫米/秒，若按氣壓p=4公斤/厘米2和汽缸效率h=0.8計(jì)算。
則其上升時(shí)的驅(qū)動(dòng)推力P推為
P推=
則輸入空氣流量 Q=(Q1+Q2)n 米3/分
式中 n—活塞每分鐘往復(fù)行程的次數(shù)，次/分；
Q1—無(wú)桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米3。Q1= [式中S—?dú)飧椎男谐蹋迕祝?D—活塞直徑，厘米]；
Q2—有桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米3。Q2= [式中氣 d—活塞桿直徑，厘米]；
由于升降氣缸靠自重下降，所以
Q==0.07(米3/分)
Ⅱ、前后伸縮氣缸的參數(shù)及計(jì)算：
前后伸縮氣缸的行程為600毫米，缸徑為?100毫米，活塞桿直徑為25毫米，若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.8計(jì)算。
則其上升時(shí)的驅(qū)動(dòng)推力P推為
P推=
P拉= =235公斤
則輸入空氣流量Q為
Q=（ + ）n
= 0.65(米3/分)
Ⅲ、 回轉(zhuǎn)氣缸的參數(shù)及計(jì)算：
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案的比較得出的結(jié)論是：采用回轉(zhuǎn)氣缸比用兩個(gè)直動(dòng)氣缸帶動(dòng)齒條齒輪所獲得回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果要緊湊?；剞D(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為B=120毫米，缸徑2R=180毫米，軸徑2r=50毫米，若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.9計(jì)算。
回轉(zhuǎn)氣缸的扭矩是由動(dòng)片受壓面積及其中心到回轉(zhuǎn)軸線的半徑?jīng)Q定的。當(dāng)計(jì)及氣缸效率后輸出的扭矩M的計(jì)算公式為
M=Bph(R2-r2)/2
=12′4′0.9′（92-2.52）/2=1620公斤.厘米=16.2公斤.米
則輸入空氣流量為：Q3=3b(D2-d2)ω/400=3′ 12′ (182-52)′0.5/400=13.455升/分
=0.0135 米3/分
Ⅳ、手指夾緊氣缸的參數(shù)及計(jì)算：
手指夾緊氣缸的設(shè)計(jì)參數(shù)為：缸徑?50毫米，活塞直徑為16毫米，v=2.5厘米/秒，工件重量G=10公斤，“v”形手指的角度2θ=1200，b=50mm,h=36mm, =300,摩擦系數(shù)f=0.1。若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.8計(jì)算，其手
張開(kāi)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力為：
根據(jù)銷(xiāo)軸的力平衡條件，即∑Fx=0,P1=P2；∑Fy=0
P=2P1cos， P1=P/（2cos）
銷(xiāo)軸對(duì)于手指的作用力為P1’,且P1’=-P1。夾緊力為N。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得：P1’h=Nb
夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力: P=(2b/h)×N
又因握力: N=0.5Gtg(θ-ψ); ψ=tg-1f
=0.510tg(600-5042’)≈7kg
所以 P=(2b/h)×N=(2×50/36)×7=19.4kg
P實(shí)際≥
式中η-手部的機(jī)械效率，取0.85；
K1-安全系數(shù)，取1.5；
K2-工作情況系數(shù)，可近似按下式估計(jì)，K2=1+a/g,其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度（g=9.8m/s2）。
P實(shí)際=≈62kg
則輸入空氣流量為：
Q4=(pD2v)/4=(3.14×52×2.5)/4=0.050米3/分
則總的空氣流量為：
Q=Q1+Q2+Q3+Q4=0.7835米3/分
3.1.2 空氣壓縮機(jī)的選擇
空氣壓縮機(jī)是將動(dòng)力供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。
空氣壓縮機(jī)的種類(lèi)有很多如：風(fēng)冷微型空氣壓縮機(jī)、移動(dòng)式風(fēng)冷V型空氣壓縮機(jī)、固定式水冷L型空氣壓縮機(jī)，活塞式無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)。
根據(jù)上面的計(jì)算出的總的空氣流量選擇空氣壓縮機(jī)，具體參數(shù)見(jiàn)下表：
最后決定選擇：雙級(jí)壓縮型的，型號(hào)為3W-0.8/10，就能滿(mǎn)足要求。
3.2 小車(chē)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
在本設(shè)計(jì)中，小車(chē)作為機(jī)械手的行走裝置，它是采用氣壓馬達(dá)提供動(dòng)力并帶動(dòng)輪子沿軌道運(yùn)動(dòng)，由于氣馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速比小車(chē)運(yùn)動(dòng)快，所以需要配一個(gè)減速裝置，減速裝置可用一個(gè)減速箱加上鏈傳動(dòng)。由于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)可能翻轉(zhuǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)配重塊要和手臂一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
小車(chē)的尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)為800毫米，寬為500毫米，高為300毫米，材料為鋁合金（鋁合金密度為2.7噸/立方米）。
3.2.1氣壓馬達(dá)的選擇
小車(chē)的速度為：V=3厘米/秒
氣壓馬達(dá)的選用：
選用的氣壓馬達(dá)的功率能克服摩擦力產(chǎn)生的功率就可以。摩擦力產(chǎn)生的最大功率為：=0.9馬力
經(jīng)考慮我選擇了HS-50A型號(hào)的活塞式氣馬達(dá)，額定功率為3馬力，工作氣壓為 p=5-7公斤/厘米2，額定轉(zhuǎn)速為1050r/min，額定空氣消耗量為3米3/分。
參考書(shū)：《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P816 表12-91 73.12073 4438.2V3
3.2.2軸的計(jì)算與校核
（1）軸直徑的計(jì)算
小車(chē)輪子的轉(zhuǎn)速n=30r/min,則軸的轉(zhuǎn)速n1=n=30r/min,氣壓馬達(dá)的功率P0=5KW,則
P1= P0′η0=5′0.9=4.5 Kw
T1=9550′ P1/ n1=9550′4.5/30=1432.5N.m
d1≥
P1——軸所傳遞的功率，KW；
η0——傳動(dòng)效率；
T1——軸所傳遞的扭矩，N.M；
d1——軸的截面直徑，mm；
軸的材料選用45號(hào)鋼，查表得A=110代入式中得
d1≥58.44mm 則取d1=60mm
計(jì)算公式參考：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 P454
（2）軸的強(qiáng)度校核
由于傳動(dòng)軸主要是受轉(zhuǎn)矩，所以軸的強(qiáng)度條件為：
τ= T1/WT≈[9.55′106′（P1/ n1 ）]/0.2=34.8MPa≤[τ],
[τ]=40 MPa
τ——周的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；
WT——軸的抗扭截面模量，mm3，查表得
對(duì)于實(shí)心圓軸，WT=p /16≈0.2;
[τ]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；
所以經(jīng)校核軸滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
計(jì)算公式參考：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 P454
3.2.3 軸承的選擇
由上步計(jì)算得軸的最小直徑為60mm，則查表得軸承的型號(hào)為6000。其參數(shù)為：
軸承內(nèi)徑：d=60mm
外徑：D=95mm
軸承寬：B=11mm
參考書(shū)：《現(xiàn)代綜合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P1249 表4.10-18
3.2.4聯(lián)軸器的選擇
馬達(dá)和減速箱之間用聯(lián)軸器相連。
聯(lián)軸器的名義扭矩
T=9550 =1432.5N.m
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
查表得 KA=1.3， 則
=1.3′1432.5=1862.25 N.m
參考書(shū)：《現(xiàn)代綜合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1092 表4.7-5 選用GB5843-86
3.2.5 減速裝置
由于氣壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速比小車(chē)運(yùn)動(dòng)要求的速度要大，所以還需要一個(gè)減速裝置。有減速機(jī)的傳動(dòng)比選擇RV系列蝸桿減速器——NMRV063。
4 機(jī)械手臂的工作原理
4.1 氣動(dòng)原理圖
4.2 電磁鐵動(dòng)作程序表
結(jié)合機(jī)械手氣壓系統(tǒng)圖說(shuō)明其動(dòng)作循環(huán)過(guò)程。
壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，使機(jī)械手開(kāi)始按程序動(dòng)作。首先，電磁鐵1DT通電，壓縮空氣從電磁閥的左邊通道經(jīng)單向節(jié)流閥進(jìn)入手臂升降油缸的上腔，推動(dòng)手臂上升。在手臂上升到一定位置，碰行程開(kāi)關(guān)，使1DT斷電，并發(fā)出信號(hào)使3DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的左側(cè)，推動(dòng)手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 7DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手指夾緊氣缸的左側(cè)，使手指張開(kāi)。在延時(shí)結(jié)束后，7DT斷電，使8DT通電，手指夾緊工件；并同時(shí)發(fā)出信號(hào)使4DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的右側(cè)，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)使4DT斷電并發(fā)出電信號(hào)，使 5DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的一腔使手臂回轉(zhuǎn)950。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)使5DT斷電，并發(fā)出電信號(hào)使3DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的左側(cè)，推動(dòng)手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 7DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手指夾緊氣缸的左側(cè)，使手指張開(kāi)，延時(shí)到7DT斷電，使8DT通電，手指閉合，并發(fā)出電信號(hào)使4DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的右側(cè)，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)使4DT斷電并發(fā)出電信號(hào)，使 2DT通電進(jìn)行排氣，手臂則靠自重下降。在手臂下降到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 6DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的另一腔使手臂反轉(zhuǎn)950。機(jī)械手復(fù)位，機(jī)械手的循環(huán)結(jié)束。
4.3 機(jī)械手的緩沖和定位
1、手臂升降運(yùn)動(dòng) 上升緩沖定位是靠可調(diào)碰鐵觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)而發(fā)出信號(hào)，切斷氣路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下降運(yùn)動(dòng)是采用油缸端部可調(diào)節(jié)流緩沖，活塞與油缸端蓋相碰而定位。
2、手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 手臂伸出有行程開(kāi)關(guān)適時(shí)斷電而切斷油路，手臂滑行靠慣性緩沖，有死擋塊定位；手臂縮回沒(méi)有定位精度要求，又終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)適時(shí)斷電，由活塞和油缸端蓋相碰而定位。
3、手臂水平回轉(zhuǎn) 在回轉(zhuǎn)油缸的兩腔安裝單向調(diào)速閥，控制手臂的回轉(zhuǎn)速度。
結(jié) 論
本次近距離自動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手臂——?dú)鈮候?qū)動(dòng)的畢業(yè)在此告于段落。它靠氣泵驅(qū)動(dòng)小車(chē)至指定地點(diǎn)，完成工件的搬運(yùn)。由于本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)機(jī)械手，但平時(shí)看到和接觸的大都是液壓的和電氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，雖然氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)總體來(lái)說(shuō)是大同小異的，但有些參數(shù)和計(jì)算還是不同的，所以還是遇到了些困難。在手臂的設(shè)計(jì)中由于沒(méi)有親眼看到過(guò)真正的機(jī)械手臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以有些地方不可能考慮得很周全。但總的來(lái)說(shuō)至少自己努力了，也察看了很多關(guān)于這方面的資料，詢(xún)問(wèn)了老師終于基本上完成了本次設(shè)計(jì)，心里還是很高興的。剛開(kāi)始做設(shè)計(jì)的時(shí)候有些無(wú)從下手，一時(shí)掌握不到要領(lǐng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索終于有了些頭緒，但自己考慮得很簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)幾次與老師的討論后才發(fā)現(xiàn)還有很多沒(méi)考慮的地方和不足之處，感覺(jué)要搞一個(gè)設(shè)計(jì)還真不是件容易的事。
致 謝
這次設(shè)計(jì)能夠順利完成首先要感謝呂夏老師的不斷指導(dǎo)，由于自己對(duì)氣壓傳動(dòng)這方面也不太熟悉，剛開(kāi)始都不知何處下手，呂老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過(guò)程中又遇到了許多困難，但老師總是不厭其煩的講給我們聽(tīng)，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。呂老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個(gè)階段。在這里再次感謝呂老師的幫助！
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