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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手部件設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
專業(yè)班級(jí) 09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（4）班
姓 名 楊永賀 學(xué) 號(hào) B09370126
指導(dǎo)教師 李志剛
系 主 任 胡明
二O 一三 年 五 月 二十一 日
浙 江 理 工 大 學(xué)
機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
畢業(yè)論文誠信聲明
我謹(jǐn)在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú)立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。
聲明人（簽名）：楊永賀
2013年 5月 29日
摘 要
氣動(dòng)機(jī)械手是以氣壓為驅(qū)動(dòng)力的機(jī)械手。機(jī)械手并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。所以氣動(dòng)機(jī)械手能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。但它的缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)闅怏w具有很大的可壓縮性, 要做到氣動(dòng)機(jī)械手精確定位難度很大, 尤其是難以實(shí)現(xiàn)任意位置的多點(diǎn)定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負(fù)載的限制。傳統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)只能靠機(jī)械定位置的調(diào)定位置而實(shí)現(xiàn)可靠定位, 并且其運(yùn)動(dòng)速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定, 經(jīng)常無法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求。
本課題經(jīng)過深刻的研究發(fā)現(xiàn)，目前生產(chǎn)線上的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手一個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程只能實(shí)現(xiàn)一次抓取和翻轉(zhuǎn)功能的，感覺這種機(jī)械手效率太低。所以本次設(shè)計(jì)針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，它在一個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程能實(shí)現(xiàn)兩次抓取和翻轉(zhuǎn)，提高了工作效率，加快生產(chǎn)效率。全文由五章構(gòu)成：
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)裝置；機(jī)械手;翻轉(zhuǎn)裝置；夾瓶器；
Abstract
Pneumatic manipulator is a robot which is based on Pressure-driven. The robot is the combination of expertise and expertise of an anthropomorphic machine electro-mechanical device, not simply instead of manual labor. It owns both the rapid response to the environment state and the ability of a long continuous operation, high accuracy, and the resistance to harsh environments. It is mainly used to crawl at a fixed program, and carry objects and operate tools automatically. So Pneumatic Manipulator can reduce labor intensity, improve production efficiency. However, its disadvantages are obvious. Pneumatic Manipulator getting the precise positioning is very difficult, especially achieving multi-point positioning to anywhere because of the great compressibility of gas. Also, the compressibility limits a load to be too heavy. Traditional pneumatic system only relies on the set position of the mechanical giving location and reliable positioning and velocity which relies on a single one-way throttle. So it is often unable to meet many requirements of the automatic control equipment.
After a deep study, we found that the pneumatic flip robot on the current production line can only be achieved crawling and flip function once in a movement process whose efficiency is too low. So we design a pneumatic flip robot which can achieve the two crawling and flipping in a motion process. There is no doubt that the pneumatic flip robot can improve work efficiency and speed up the production efficiency.
Key words: pneumatic devices; robot; turning device; clip bottle;
目 錄
摘 要
Abstract
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展 1
1.2.1國外氣動(dòng)機(jī)械手狀況 1
1.2.2國內(nèi)氣動(dòng)機(jī)械手情況 3
1.3發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3.1重復(fù)高精度 3
1.3.2模塊化 3
1.3.3無給油化 4
1.3.4 機(jī)電氣一體化 4
1.4 機(jī)械手夾持部件結(jié)構(gòu)示意圖 4
1.4.1 外夾持型機(jī)械手 4
1.4.2 內(nèi)夾持型機(jī)械手 5
1.5國內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)舉例 5
1.5.1與模具切割相結(jié)合 5
1.5.2 機(jī)械手虛擬樣機(jī) 6
1.5.3 高精度機(jī)械手 6
第2章 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 8
2.1 抓取系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì) 8
2.2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì) 8
2.2.1 錐齒輪電機(jī)翻轉(zhuǎn) 8
2.2.2 鏈輪鏈條氣缸翻轉(zhuǎn) 9
2.2.3 翻轉(zhuǎn)方案選擇 9
2.3氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維建模、裝配思路 10
2.3.1各部分零件設(shè)計(jì) 10
2.3.2 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 10
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果 11
第3章 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手重要零部件設(shè)計(jì)校核及其裝配 12
3.1氣缸的設(shè)計(jì)和校核 12
3.1.1 夾緊系統(tǒng)氣缸設(shè)計(jì)和校核 12
3.1.2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)氣缸設(shè)計(jì)和校核 14
3.2齒輪設(shè)計(jì)和校核 15
3.2.1齒輪參數(shù)的選擇 15
3.2.2齒輪幾何尺寸確定 15
3.2.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 16
3.3齒條的設(shè)計(jì)和校核 18
3.3.1齒條的設(shè)計(jì) 18
3.4 固定機(jī)架上的軸設(shè)計(jì)和校核 20
3.4.1求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 20
3.4.2求作用在齒輪上的力 20
3.4.3 初步確定軸的最小直徑 21
3.4.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.4.5精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 23
3.5圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)和校核 25
3.6鍵連接設(shè)計(jì)和校核 26
3.6.1輸入軸鍵計(jì)算 26
3.6.2中間軸鍵計(jì)算 26
3.6.3輸出軸鍵計(jì)算 27
3.7聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)和校核 27
第4章 三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真 29
4.1 整體裝配圖 29
4.2夾緊系統(tǒng)裝配圖 29
4.3氣缸推動(dòng)和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝配圖 30
4.4 氣缸推動(dòng)夾緊裝置系統(tǒng)裝配圖 30
第5章 總結(jié)與展望 32
5.1總結(jié) 32
5.2展望 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 35
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 引言
近20年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合, 使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求;由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn), 國內(nèi)外都在大力研發(fā)氣動(dòng)機(jī)械手。
1.2氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展
1.2.1國外氣動(dòng)機(jī)械手狀況
從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看, 近30多年來, 氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代, 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9：1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家, 該比例已達(dá)到6：4, 甚至接近5：5。
90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y.Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人--"阿基里斯"六腳勘測(cè)員，也被稱為FESTO的"六足動(dòng)物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產(chǎn)的氣動(dòng)元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個(gè)在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進(jìn)行地形偵察。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人的上方安裝了一個(gè)照相機(jī)來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個(gè)不同方向控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個(gè)腳與地面接觸，機(jī)器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個(gè)腳都有三個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展、退回，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平穩(wěn)，即在無級(jí)調(diào)速狀態(tài)下工作。控制氣缸的閥內(nèi)置在機(jī)器人體內(nèi)，由FPC101-B可編程控制器控制。當(dāng)接通電源時(shí)，氣動(dòng)閥被切換到工作狀態(tài)位置，當(dāng)關(guān)閉電源時(shí)，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點(diǎn)
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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
上停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)器人的傳感器在它的有效范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物，機(jī)器人也會(huì)自動(dòng)停止。
由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它能在兩個(gè)相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機(jī)器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設(shè)置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種攀墻式機(jī)器人可被用于工具搬運(yùn)或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動(dòng)機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進(jìn)行清掃、檢驗(yàn)和安裝工作。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動(dòng)操作，操作者只需輸入運(yùn)行的目標(biāo)距離，然后計(jì)算機(jī)便能自動(dòng)計(jì)算出必要的單步運(yùn)行。操作者可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控。
國外的設(shè)計(jì)人員對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)非常成熟。Wright等人分析比較了機(jī)械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機(jī)械手分成與機(jī)器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對(duì)象、準(zhǔn)確的完成復(fù)雜性任務(wù)三種類別。許多工廠的機(jī)械手的例子和機(jī)械手設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針也被描述進(jìn)去了。Pham等人總結(jié)了機(jī)械手在不同應(yīng)用環(huán)境下設(shè)計(jì)方案應(yīng)該如何選擇。在他們的研究中，影響機(jī)械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務(wù),(c)環(huán)境，（d）機(jī)械臂和控制條件?！俺煞帧边@個(gè)變量包括幾何、形狀、重量、表面質(zhì)量和溫度，這些因素都需要考慮好。對(duì)于可重構(gòu)系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標(biāo)準(zhǔn)又把這個(gè)變量分成了其他家族。對(duì)于“任務(wù)”這個(gè)變量，除了機(jī)械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準(zhǔn)確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動(dòng)和放置都要考慮。在合適的地方設(shè)計(jì)核實(shí)的機(jī)械手，必須考慮所有的因素，而且驗(yàn)證性的測(cè)試必須要多做。為了減少疲勞效應(yīng)，pham等人開發(fā)了一個(gè)用于選擇機(jī)械手的專家系統(tǒng)。瑞典EIET ROIUX 公司于最近創(chuàng)造一種新產(chǎn)品一一氣動(dòng)機(jī)械手。這種機(jī)械手以壓縮空氣為動(dòng)力, 小巧靈便,它裝在一個(gè)圓形豎柱上, 該圓柱又能上下移動(dòng)0 至150 mm , 左右移動(dòng)350mm，機(jī)械手的最高速度為1000m/s，定位精度為500m/s;兩個(gè)機(jī)械手各能舉起5kg重物。
圖1-1 瑞典發(fā)明的氣動(dòng)機(jī)械手
1.2.2國內(nèi)氣動(dòng)機(jī)械手情況
我國改革開放以來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年第增率達(dá)24.2，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率10的水平。雖然市場(chǎng)和應(yīng)用發(fā)展迅速，但是我國的氣動(dòng)技術(shù)與歐美、日本等國相比，還存在著相當(dāng)大的差距。我國在氣動(dòng)技術(shù)的研究與開發(fā)的方面，缺乏先進(jìn)的儀器與設(shè)備，研究開發(fā)手段落后，技術(shù)力量差，每年問世的新產(chǎn)品數(shù)量極其有限。在許多開發(fā)與研究領(lǐng)域還是空白，因此必須跟蹤國外氣動(dòng)技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向，以減小差距，提高我國氣動(dòng)技術(shù)的水平。
1.3發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1重復(fù)高精度
精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展, 以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
1.3.2模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來就是模塊化的設(shè)備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對(duì)分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對(duì)機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。
1.3.3無給油化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步, 新型材料(如燒結(jié)金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。
1.3.4 機(jī)電氣一體化
由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件, 使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制” 進(jìn)入到高精度的“ 反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡(jiǎn)單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC 在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。
1.4 機(jī)械手夾持部件結(jié)構(gòu)示意圖
1.4.1 外夾持型機(jī)械手
圖1-2為一種較簡(jiǎn)單平行開閉手爪的結(jié)構(gòu)。氣缸的活塞有壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，通過活塞桿7上的支點(diǎn)軸2帶動(dòng)撥叉3轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳動(dòng)軸4使手爪1沿導(dǎo)向槽做平行移動(dòng)，圖中為雙作用氣缸，也可為單作用氣缸返回運(yùn)動(dòng)靠彈簧完成。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是重量輕，體積小，最小型重量為75g，最大型為300g，因此，可以與小型機(jī)械手配套使用。
圖1-2 外夾持型鉸鏈?zhǔn)狡叫虚_閉手爪示意圖
1.4.2 內(nèi)夾持型機(jī)械手
前面介紹的是外加持機(jī)械手，下面介紹一種內(nèi)加持的機(jī)械手。圖1-3所示的基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)械手, 主要由氣壓缸、鉸桿1 和1c、杠桿2和2c組成。當(dāng)壓縮空氣的方向控制閥處于圖1所示左位工作狀態(tài)時(shí), 氣壓缸的左腔即無桿腔進(jìn)入壓縮空氣, 推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致鉸桿1和1c的壓力角A變小, 通過角度效應(yīng)第一次把輸入力放大, 然后傳遞到恒增力杠桿機(jī)構(gòu)2和2c上, 再一次將輸入力進(jìn)行放大, 變?yōu)閵A持工件的作用力F。當(dāng)方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時(shí), 氣壓缸的右腔即有桿腔進(jìn)入壓空氣, 推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng), 夾持機(jī)構(gòu)松開工件。
圖1-3 內(nèi)夾持型機(jī)械手舉例
1.5國內(nèi)外優(yōu)秀氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)舉例
1.5.1與模具切割相結(jié)合
第一個(gè)是鄭州輕工業(yè)學(xué)院和紡織工學(xué)院的老師設(shè)計(jì)的機(jī)械手，如圖1-4所示，它是與磨具切割想配合的一種設(shè)計(jì)。如圖所示，機(jī)械手由手部——手指（3）和夾緊氣缸（1）、手腕——拉伸臂（2）和拉伸氣缸（4）、手臂——?jiǎng)冸x臂（5）和剝離氣缸（6）以及底座（D）組成。機(jī)械手的手部采用單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式活動(dòng)手指配合以固定手指，在夾緊氣缸（1）的作用下夾持模組橡膠襯圈上的“凸耳”。為使手指在夾持襯圈的過程中不出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象，特在手指端部加工有鋸齒型斜槽，拉伸臂（2）和剝離臂（5）在后部鉸支的拉伸氣缸（4）和剝離氣缸（6）的作用下，分別繞支點(diǎn)（B）和支點(diǎn)（C）擺動(dòng)，同時(shí)在切割裝置的配合下，完成襯圈的拉伸、切割和剝離任務(wù)。機(jī)械手通過底座（D）與自動(dòng)剝離機(jī)有機(jī)相連，與剝離機(jī)其他機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作[9]。
圖1-4 氣動(dòng)式機(jī)械手
1.5.2 機(jī)械手虛擬樣機(jī)
第二種設(shè)計(jì)的新型氣動(dòng)機(jī)械手的虛擬樣機(jī)如圖1-5所示,其中腰部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由比例流量閥式擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn); 大臂和中臂之間的俯仰運(yùn)動(dòng)由比例流量閥驅(qū)動(dòng)單出桿雙作用直線汽缸實(shí)現(xiàn)。而中臂與小臂之間由可調(diào)支撐件來手動(dòng)調(diào)節(jié)角度, 并配合調(diào)節(jié)小臂的螺紋連接件, 來控制機(jī)械手末端在笛卡爾空間坐標(biāo)系中的位置。手抓部位的夾持力通過控制直線氣缸來調(diào)節(jié)。
圖1-5 機(jī)械手虛擬樣機(jī)
在設(shè)計(jì)的機(jī)械手虛擬樣機(jī)中, 底座與軀干以固定副相連, 軀干與大臂以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連, 大臂與中臂以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連, 中臂、可調(diào)支撐和小臂以固定副相連, 小臂與手腕以固定副相連, 直線氣缸部位以平動(dòng)副相連, 添加約束后如圖所示。
1.5.3 高精度機(jī)械手
第三種如圖1-6所示。機(jī)械手具備有：水平缸X軸方向移動(dòng)、垂直升降缸Y軸方向運(yùn)動(dòng)、伸縮缸Z軸方向伸縮及伸擺缸繞Z軸選裝四個(gè)自由度（手指開合不記）。由于手臂采用懸臂方式，活塞缸所承受的徑向彎曲力矩較大，為解決這個(gè)問題，我們用了具有良好導(dǎo)向性能的高精度導(dǎo)軌型無桿缸和導(dǎo)向型伸縮缸。手指采用兩只肘潔是卡爪，通過鋁合金奧通和伸擺缸連接，增強(qiáng)了伸縮氣缸的導(dǎo)向型和抗彎能力。手指采用自行設(shè)計(jì)的V型塊，也可以根據(jù)被夾工件實(shí)際形狀要求設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)。無桿缸、升降缸和伸擺缸通過硬質(zhì)鋁合金連接板連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和連接。位移傳感器和無桿缸相連，檢測(cè)X軸方向位移。
圖1-6 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
第2章 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)
對(duì)氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的抓取系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括抓取部件、翻轉(zhuǎn)部件及連接部件和氣動(dòng)執(zhí)行部件。根據(jù)氣動(dòng)執(zhí)行部件來驅(qū)動(dòng)抓取部件中的齒條運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪、齒條一起運(yùn)動(dòng)，最終造成兩個(gè)齒條的相互運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實(shí)現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過翻轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)抓取物件同時(shí)翻轉(zhuǎn)的功能。
2.1 抓取系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)
如圖所示，本次設(shè)計(jì)所夾取物件形狀為圓柱型，即罐裝瓶子之類的。原理分析如下:齒條1與夾緊臂1用螺釘連接，齒輪2與夾緊臂2也是如此；齒條1與齒條2通過齒輪連接；當(dāng)推動(dòng)軸由于氣動(dòng)裝置往左推進(jìn)時(shí)，這時(shí)夾緊臂1，軸帶動(dòng)齒條1往左動(dòng)，從而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)齒條2向右移動(dòng),在外部實(shí)現(xiàn)了夾緊被抓物件的要求。在實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能后，推動(dòng)軸由于氣動(dòng)裝置往右退回時(shí)，夾緊裝置的兩個(gè)葉片就會(huì)放開，從而松開被夾物件。
圖2-1 夾緊裝置二維圖
2.2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)
2.2.1 錐齒輪電機(jī)翻轉(zhuǎn)
圖2-2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)1
原理說明：通過電機(jī)推動(dòng)底下的齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)斜齒輪1也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖可見斜齒輪2和斜齒輪3也跟著以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于夾緊裝置與斜齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定，則兩個(gè)夾緊裝置也會(huì)以相反方向?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)，即一個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)兩次抓取和不同方向的翻轉(zhuǎn)。
2.2.2 鏈輪鏈條氣缸翻轉(zhuǎn)
圖2-3 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)2
原理說明：通過底下氣缸推動(dòng)齒條1向后方向移動(dòng)（這時(shí)鏈輪1由于齒條的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；由于夾緊裝置1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與鏈條1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定，所以夾緊裝置也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)），帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)齒條2向下移動(dòng)（與齒條1方向相反），帶動(dòng)鏈條2以與鏈條1相反的方向運(yùn)動(dòng)，最終使夾緊裝置2產(chǎn)生與夾緊裝置1相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)兩次抓取和不同方向的翻轉(zhuǎn)。
2.2.3 翻轉(zhuǎn)方案選擇
由于第一種方案中的齒輪斜齒輪和斜齒條的配合在實(shí)際生產(chǎn)中比較難以加工，制作成本和要求都很大；第一種方案的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不符合本次設(shè)計(jì)氣壓驅(qū)動(dòng)的要求，而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率也不高；相比較而言，第二種方案的鏈輪鏈條設(shè)計(jì)制作成本較低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)方式為氣缸驅(qū)動(dòng)，符合本次設(shè)計(jì)要求；所以經(jīng)過最后的校核和評(píng)估，本次設(shè)計(jì)采用低二種方案。
2.3氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維建模、裝配思路
2.3.1各部分零件設(shè)計(jì)
氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進(jìn)行裝配分析，進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分別對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死等問題，如果有的話必須調(diào)整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進(jìn)實(shí)現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進(jìn)行投影二維圖紙并標(biāo)注，某些重要的零部件要進(jìn)行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。
2.3.2 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
通過建立的三維模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)三個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)要看能不能運(yùn)動(dòng)的起來，確保氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和氣動(dòng)的功能。
本設(shè)計(jì)論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實(shí)驗(yàn)的方法，在前人的基礎(chǔ)上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)仿真，并對(duì)其進(jìn)行初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。對(duì)
目前,隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)正逐漸被三維實(shí)體設(shè)計(jì)所代替。
Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化的三維實(shí)體模型(3DS)設(shè)計(jì)軟件,它不僅具有CAD 的強(qiáng)大功能,同時(shí)還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、加工制造及關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等領(lǐng)域。而且能同時(shí)支持針對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行同步設(shè)計(jì),具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關(guān)性、以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)。采用三維CAD 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,是和實(shí)物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計(jì)算零部件之間的干涉和體積,把錯(cuò)誤消滅在設(shè)計(jì)階段[9]。
運(yùn)用Pro/ E三維設(shè)計(jì)平臺(tái),通過對(duì)特征工具的操作,避免高級(jí)語言的復(fù)雜編程,所開發(fā)設(shè)計(jì)出來的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手,便于研究人員通過對(duì)界面特征工具的操作,生成氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手實(shí)體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關(guān)分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設(shè)計(jì)構(gòu)思、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設(shè)計(jì)制造的成功率;也為后續(xù)的3D運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及預(yù)期成果
氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手Pro/ E運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分:運(yùn)動(dòng)仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來,來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。通過仿真技術(shù)可以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)后, 對(duì)各種零件進(jìn)行裝配后模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng), 從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求, 可以檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間是否發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校核。同時(shí), 可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以及各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系及關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語言編程,而是以實(shí)體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析于一體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能建立氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維CAD模型，然后完成氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的裝配，設(shè)置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置，添加驅(qū)動(dòng)和約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在整個(gè)過程中，需要對(duì)建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的仿真模型。
可行性分析:抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究是機(jī)械手方面研究的基礎(chǔ)。因此，對(duì)具有理想結(jié)構(gòu)的抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進(jìn)行抓取和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，從幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)關(guān)系等不同角度對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究, 使機(jī)械手能比較完美的在抓取和翻轉(zhuǎn)物體。在前人研究工作基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)論文進(jìn)行氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真，在基本原理上是可行的。
本設(shè)計(jì)的工作主要涉及力學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，以及Pro/ E設(shè)計(jì)工具，本人已學(xué)習(xí)了這些相關(guān)課程，并取得了較好的成績(jī)，掌握了本設(shè)計(jì)所需的基本知識(shí)。
指導(dǎo)老師在氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的相關(guān)研究方面具有很多成功的經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實(shí)可行，能夠確保畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成并取得預(yù)期的研究成果。
第3章 氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手重要零部件設(shè)計(jì)校核及其裝配
3.1氣缸的設(shè)計(jì)和校核
3.1.1 夾緊系統(tǒng)氣缸設(shè)計(jì)和校核
根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為63/63。
（1）在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動(dòng)力：
（3-1）
（2）.測(cè)定手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和為7kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力
（3-2）
（3）.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)。
=70×0.2=14 （3-3）
=70+14=84 （3-4）
所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
（2）活塞桿的計(jì)算
1）按強(qiáng)度條件計(jì)算：當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L較小時(shí)（L≤10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑d。
（3-5）
式中為氣缸的推力（N）；
活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa)；
材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）；
安全系數(shù)，S≥1.4。
按縱向彎曲極限力計(jì)算：氣缸承受軸向壓力以后，會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí)
（3-6）
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí)
（3-7）
式中活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度（m）
—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑（m），
實(shí)心桿：
（3-8）
空心桿：
（3-9）
為活塞桿橫截面慣性矩，
實(shí)心桿：
（3-10）
空心桿：
（3-11）
空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；
活塞桿截面積
實(shí)心桿：
（3-12）
空心桿：
（3-13）
為系數(shù)，
為為材料彈性模量，對(duì)鋼??；
為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取；
為系數(shù)，對(duì)鋼取
3.1.2 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)氣缸設(shè)計(jì)和校核
（1）尺寸設(shè)計(jì)：此部分選用單片葉片式擺動(dòng)氣馬達(dá)需設(shè)計(jì)其葉片內(nèi)直徑與葉片軸直徑計(jì)算公式如下：
(3-14)
葉片寬度設(shè)計(jì)為b=9mm,氣缸內(nèi)徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數(shù)n=1,,
則理論驅(qū)動(dòng)力矩 ：
(3-15)
=12.276
（2）尺寸校核：測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量=2kg,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑=53mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
(3-16)
=2×0.053×0.053/2
=0.03（）
(3-17)
=0.03×(180/1)=5.4
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
(3-18)
=0.2×5.4=1.08
總驅(qū)動(dòng)力矩
(3-19)
=5.4+1.08=6.48
故設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。
3.2齒輪設(shè)計(jì)和校核
3.2.1齒輪參數(shù)的選擇
齒輪模數(shù)值取值為=5，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為=6，壓力角取=20°，齒輪螺旋角為=，齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到的值來確定。齒輪的轉(zhuǎn)速為，齒輪傳動(dòng)力矩25，轉(zhuǎn)向器每天工作8小時(shí)，使用期限不低于5年．
主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5材料制造并經(jīng)滲碳淬火，而齒條常采用45號(hào)鋼或41Cr4制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度均應(yīng)在56HRC以上。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄。
3.2.2齒輪幾何尺寸確定
齒頂高：
(3-20)
齒根高：
(3-21)
齒高：
(3-22)
分度圓直徑：
(3-23)
齒頂圓直徑：
(3-24)
齒根圓直徑：
(3-25)
基圓直徑：
(3-26)
法向齒厚為：
(3-27)
端面齒厚為：
(3-28)
分度圓直徑與齒條運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系：
(3-29)
齒距：
由于齒輪轉(zhuǎn)速低，是一般的機(jī)械，故選擇8級(jí)精度。
(3-30)
齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線距離：
(3-31)
3.2.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1齒輪精度等級(jí)、材料及參數(shù)的選擇
（1）齒輪模數(shù)值取值為，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為，壓力角取=20°.
（2）主動(dòng)小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經(jīng)滲碳淬火，硬度在56-62HRC之間，取值60HRC.
（3）齒輪螺旋角初選為=°
2齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(3-32)
⑴試取=。
⑵斜齒輪的轉(zhuǎn)矩=25。
⑶取齒寬系數(shù)。
⑷齒輪齒數(shù)。
⑸復(fù)合齒形系數(shù)=。
許用彎曲應(yīng)力：
(3-33)
為齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值。
(3-34)
試取。
⑹圓周速度
(3-35)
取
(3-36)
⑺計(jì)算載荷系數(shù)
① 查表得使用系數(shù)=1
② 根據(jù)和8級(jí)精度，查表得
③ 查表得齒向載荷分布系數(shù)
④ 查表得齒間載荷分布系數(shù)
(3-37)
⑤ 修正值計(jì)算模數(shù)
＝ (3-38)
故前取不變。
3齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
校核公式為
(3-39)
（1）許用接觸應(yīng)力
查表得，。安全系數(shù)。
(3-40)
（2）查表得彈性系數(shù)。
（3）查表得區(qū)域系數(shù)。
（4）重合度系數(shù)
(3-41)
（5）螺旋角系數(shù)
＝ (3-42)
由以上計(jì)算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，即以上設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。
3.3齒條的設(shè)計(jì)和校核
3.3.1齒條的設(shè)計(jì)
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn):
（1）齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時(shí)才與其節(jié)圓相重合.
（2）齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角，因此齒條模數(shù),壓力角齒條斷面形狀選取圓形，選取
齒數(shù)：
螺旋角：
端面模數(shù)：
(3-43)
端面壓力角：
(3-44)
法面齒距：
(3-45)
端面齒距：
(3-46)
齒頂高系數(shù)：
(3-47)
法面頂隙系數(shù)：
齒頂高：
(3-48)
齒根高：
(3-49)
齒高：
(3-50)
法面齒厚：
(3-51)
端面齒厚：
(3-52)
3.4 固定機(jī)架上的軸設(shè)計(jì)和校核
3.4.1求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
3.4.2求作用在齒輪上的力
已知高速級(jí)小圓錐齒輪的分度圓半徑為
(3-53)
而
(3-54)
圓周力、徑向力及軸向力的方向如圖3-1所示
圖3-1 軸內(nèi)力圖
3.4.3 初步確定軸的最小直徑
先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）,取，得，輸入軸的最小直徑為安裝聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩,由于轉(zhuǎn)矩變化很小，故取，則
查《機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）課程設(shè)計(jì)》表17-4，選HL2型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為160000，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長(zhǎng)度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為。
3.4.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1擬定軸上零件的裝配方案（見圖3-2）
圖3-2 軸內(nèi)力圖
2根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
⑴為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位，1-2軸段右端需制出一軸肩，故取2-3段的直徑。
⑵初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力，故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）課程設(shè)計(jì)》表15-7中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承30306，其尺寸為，，而。這對(duì)軸承均采用軸肩進(jìn)行軸向定位，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）課程設(shè)計(jì)》表15-7查得30306型軸承的定位軸肩高度，因此取。
⑶取安裝齒輪處的軸段6-7的直徑；為使套筒可靠地壓緊軸承，5-6段應(yīng)略短于軸承寬度，故取。
⑷軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤滑油的要求，求得端蓋外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離，故取。
⑸錐齒輪輪轂寬度為55mm，為使套筒端面可靠地壓緊齒輪取。
⑹由于，故取。
3軸上的周向定位
圓錐齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表6-1查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為50mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差為。
4確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為。
5求軸上的載荷
表1 軸上的載荷
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
6按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)及軸的單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力
(3-55)
前已選定軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表15-1查得，故安全。
3.4.5精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1判斷危險(xiǎn)截面截面5右側(cè)受應(yīng)力最大
2截面5右側(cè)抗彎截面系數(shù)
(3-56)
抗扭截面系數(shù)
(3-57)
截面5右側(cè)彎矩M為
(3-58)
截面5上的扭矩為
(3-59)
截面上的彎曲應(yīng)力為
(3-60)
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為
(3-61)
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得，，。截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》附表3-2查取。因， ，經(jīng)插值后查得，，又由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》附圖3-2可得軸的材料敏感系數(shù)為，故有效應(yīng)力集中系數(shù)為
由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》附圖3-2的尺寸系數(shù)，扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。軸按磨削加工，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)為，軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則綜合系數(shù)為
又取碳鋼的特性系數(shù)
計(jì)算安全系數(shù)值
故可知安全。
3.5圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)和校核
初步選擇滾動(dòng)軸承，由《機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)）課程設(shè)計(jì)》表15-7中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承30306，其尺寸為， ，，
表2 支反力
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
則
則
則
，
則
則
故合格。
3.6鍵連接設(shè)計(jì)和校核
3.6.1輸入軸鍵計(jì)算
1校核聯(lián)軸器處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：，
，故單鍵即可。
2校核圓錐齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：，
，故單鍵即可。
3.6.2中間軸鍵計(jì)算
1校核圓錐齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：，，故單鍵即可。
2校核圓柱齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：，，故單鍵即可。
3.6.3輸出軸鍵計(jì)算
1校核聯(lián)軸器處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：
，故單鍵即可。
2校核圓柱齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長(zhǎng)度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為：
(3-63)
，故設(shè)計(jì)雙鍵。
3.7聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)和校核
在軸的計(jì)算中已選定聯(lián)軸器型號(hào)。
輸入軸選HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為160000，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長(zhǎng)度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為。
輸出軸選選HL3型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長(zhǎng)度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為。
第4章 三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真
基于以上的計(jì)算和校核，可以在三維軟件中進(jìn)行建模，現(xiàn)在把所建的重要三維模型顯示如下。氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的三維模型的建立是和其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的，懸架的三維模型可以使設(shè)計(jì)的懸架各個(gè)部件的相互位置和裝配關(guān)系更加直觀，能夠直接檢驗(yàn)裝配關(guān)系是否正確。
完成各個(gè)部件的三維模型后，再利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)零件的相互關(guān)系進(jìn)行整體裝配。圖4-1所示的是氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手整體裝配好以后的狀態(tài)模型。
4.1 整體裝配圖
如圖4-1所示，本次所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，是由兩個(gè)夾緊裝置和一個(gè)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)成。由于本此時(shí)機(jī)械手的部件設(shè)計(jì)，所以翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固定外殼以及固定標(biāo)準(zhǔn)件都沒有畫出。由本圖可看出，本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手已經(jīng)基本完成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的兩次不同方向翻轉(zhuǎn)的功能，符合本次設(shè)計(jì)的要求。
圖4-1 整體裝配
4.2夾緊系統(tǒng)裝配圖
夾緊系統(tǒng)的三維建模很好的實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即以氣缸為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，使得外部的夾緊裝置相中間夾緊。當(dāng)夾緊裝置夾緊物件時(shí)，機(jī)械手就可以開始進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，即翻轉(zhuǎn)。
圖4-2 夾取系統(tǒng)
4.3氣缸推動(dòng)和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝配圖
翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目的就是讓兩邊的夾緊裝置以相反方向進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，這里著重要提及的就是相反方向的翻轉(zhuǎn)，只有建立在相反方向的基礎(chǔ)上，這套構(gòu)思和這套方案才有意義。還有，由圖4-3可知，鏈條的鏈結(jié)是通過一塊小鐵板焊接在齒條的背部的，由于氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手只實(shí)現(xiàn)來回的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以鏈條底部和齒條固定的地方也只實(shí)現(xiàn)來回的平移運(yùn)動(dòng)，它運(yùn)動(dòng)的距離不會(huì)使它進(jìn)入鏈輪的旋轉(zhuǎn)范圍之內(nèi)的。
圖4-3 氣缸推動(dòng)和翻轉(zhuǎn)
4.4 氣缸推動(dòng)夾緊裝置系統(tǒng)裝配圖
氣缸推動(dòng)的原理即通過氣缸內(nèi)的封閉性，在外界通入空氣時(shí)，內(nèi)外氣壓變得不同，從而推動(dòng)氣缸內(nèi)的滑塊運(yùn)動(dòng)。
圖4-4 氣缸推動(dòng)
第5章 總結(jié)與展望
5.1總結(jié)
本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了一套氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手部件，功能為將工件移位并實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。在設(shè)計(jì)方面滿足了設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，圖紙滿足生產(chǎn)要求。本文主要完成以下工作：
（1）氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
包括夾緊部件、翻轉(zhuǎn)部件、氣缸推動(dòng)部件。根據(jù)氣缸推動(dòng)部件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向的功能要求，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用相反方向翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。
（2）氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手部件的設(shè)計(jì)和校核
根據(jù)氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的特點(diǎn)對(duì)各個(gè)機(jī)械手的零件進(jìn)行了校核，校核是各個(gè)零件要滿足校核條件，不滿足的要重新設(shè)計(jì)再校核。
（3）八輪星球探測(cè)車可展開移動(dòng)系統(tǒng)三維仿真
通過建立的三維模型，對(duì)夾緊和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
5.2展望
在基本完成課題目標(biāo)的基礎(chǔ)上，仍有一些方面需要加強(qiáng)。由