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本科毕业设计（论文） 题 目 气动翻转机械手部件设计 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09机械设计制造及其自动化（4）班 姓 名 杨永贺 学 号 指导教师 李志刚 系 主 任 胡明 二O 一三 年 五 月 二十一 日 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业论文诚信声明 我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）：杨永贺 2013年 5月 29日 摘 要 气动机械手是以气压为驱动力的机械手。机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。所以气动机械手能够降低劳动强度，提高生产效率。但它的缺点也很明显，因为气体具有很大的可压缩性, 要做到气动机械手精确定位难度很大, 尤其是难以实现任意位置的多点定位；而且可压缩性也带来不能承受过重的负载的限制。传统气动系统只能靠机械定位置的调定位置而实现可靠定位, 并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定, 经常无法满足许多设备的自动控制要求。 本课题经过深刻的研究发现，目前生产线上的气动翻转机械手一个运动进程只能实现一次抓取和翻转功能的，感觉这种机械手效率太低。所以本次设计针对这个缺点，设计出了一种气动翻转机械手，它在一个运动进程能实现两次抓取和翻转，提高了工作效率，加快生产效率。全文由五章构成： 关键词：气动装置；机械手;翻转装置；夹瓶器； is a is is of of an of It to of a to It is to at a is to of of a to be on of on a So it is to of a we on be in a is So we a in a is no up 目 录 摘 要 1章 绪论.言.国外气动机械手状况.国内气动机械手情况.重复高精度.模块化.无给油化. 机电气一体化.械手夹持部件结构示意图. 外夹持型机械手. 内夹持型机械手.与模具切割相结合. 机械手虚拟样机. 高精度机械手.2章 气动翻转机械手总体设计.取系统的初步设计.转系统的初步设计. 锥齿轮电机翻转. 链轮链条气缸翻转. 翻转方案选择.配思路.各部分零件设计.动翻转机械手的运动学仿真. 研究思路方案、可行性分析及预期成果.3章 气动翻转机械手重要零部件设计校核及其装配. 夹紧系统气缸设计和校核. 翻转系统气缸设计和校核.齿轮参数的选择.齿轮几何尺寸确定.齿根弯曲疲劳强度计算.齿条的设计.定机架上的轴设计和校核.求输入轴上的功率、转速和转矩.求作用在齿轮上的力. 初步确定轴的最小直径.轴的结构设计.精确校核轴的疲劳强度.输入轴键计算.中间轴键计算.输出轴键计算.4章 三维建模和运动仿真.体装配图.缸推动夹紧装置系统装配图.5章 总结与展望.考文献. 谢.江理工大学本科毕业设计（论文） 1 第1章 绪论 言 近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠; 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力研发气动机械手。 国外气动机械手状况 从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为9：1, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到6：4, 甚至接近5：5。 90年代初，基里斯六脚勘测员，也被称为足动物12。编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点气动翻转机械手部件设计 2 上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。 由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。 国外的设计人员对于机械手的设计理念已经非常成熟。把机械手分成与机器人手臂和控制系统相兼容、安全抓取和握持对象、准确的完成复杂性任务三种类别。许多工厂的机械手的例子和机械手设计指导方针也被描述进去了。他们的研究中，影响机械手如何选择的变量如下：（a）成分，（b）任务,(c)环境，（d）机械臂和控制条件。“成分”这个变量包括几何、形状、重量、表面质量和温度，这些因素都需要考虑好。对于可重构系统，他们以形状和大小为标准又把这个变量分成了其他家族。对于“任务”这个变量，除了机械手的类型、不同组成部分的数量、准确性及周期需要考虑外，还有主要的操作处理如抓取、握持、移动和放置都要考虑。在合适的地方设计核实的机械手，必须考虑所有的因素，而且验证性的测试必须要多做。为了减少疲劳效应，典司于最近创造一种新产品一一气动机械手。这种机械手以压缩空气为动力, 小巧灵便,它装在一个圆形竖柱上, 该圆柱又能上下移动0 至150 左右移动350械手的最高速度为1000m/s，定位精度为500m/s;两个机械手各能举起5图1典发明的气动机械手 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 3 国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年至2003年间，于中国机械工业产值平均年递增率10的水平。虽然市场和应用发展迅速，但是我国的气动技术与欧美、日本等国相比，还存在着相当大的差距。我国在气动技术的研究与开发的方面，缺乏先进的仪器与设备，研究开发手段落后，技术力量差，每年问世的新产品数量极其有限。在许多开发与研究领域还是空白，因此必须跟踪国外气动技术的最新发展动向，以减小差距，提高我国气动技术的水平。 重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展, 以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。 的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置, 使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承, 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是气动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备, 特别是紧凑型岛, 它对分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特别对机械手中的移动气动翻转机械手部件设计 4 模块。 了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求, 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步, 新型材料(如烧结金属石墨材料) 的出现, 构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件, 不仅节省润滑油、不污染环境, 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 电气一体化 由“可编程序控制器成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制” 进入到高精度的“ 反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。 而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而输出功率在增大, 由动机械手、气动控制越来越离不开而阀岛技术的发展, 又使气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。 械手夹持部件结构示意图 夹持型机械手 图1缸的活塞有压缩空气驱动，通过活塞杆7上的支点轴2带动拨叉3转动，再通过传动轴4使手爪1沿导向槽做平行移动，图中为双作用气缸，也可为单作用气缸返回运动靠弹簧完成。该结构的特点是重量轻，体积小，最小型重量为75g，最大型为300g，因此，可以与小型机械手配套使用。 图1夹持型铰链式平行开闭手爪示意图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 夹持型机械手 前面介绍的是外加持机械手，下面介绍一种内加持的机械手。图1主要由气压缸、铰杆1 和1c、杠杆2和2压缩空气的方向控制阀处于图1所示左位工作状态时, 气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气, 推动活塞向右运动, 导致铰杆1和1通过角度效应第一次把输入力放大, 然后传递到恒增力杠杆机构2和2再一次将输入力进行放大, 变为夹持工件的作用力F。当方向控制阀处于右位工作状态时, 气压缸的右腔即有杆腔进入压空气, 推动活塞向左运动, 夹持机构松开工件。 与模具切割相结合 第一个是郑州轻工业学院和纺织工学院的老师设计的机械手，如图1是与磨具切割想配合的一种设计。如图所示，机械手由手部手指（3）和夹紧气缸（1）、手腕拉伸臂（2）和拉伸气缸（4）、手臂剥离臂（5）和剥离气缸（6）以及底座（D）组成。机械手的手部采用单支点回转式活动手指配合以固定手指，在夹紧气缸（1）的作用下夹持模组橡胶衬圈上的“凸耳”。为使手指在夹持衬圈的过程中不出现滑脱现象，特在手指端部加工有锯齿型斜槽，拉伸臂（2）和剥离臂（5）在后部铰支的拉伸气缸（4）和剥离气缸（6）的作用下，分别绕支点（B）和支点（C）摆动，同时在切割装置的配合下，完成衬圈的拉伸、切割和剥离任务。机械手通过底座（D）与自动剥离机有机相连，与剥离机其他机构协调动作9。 图1夹持型机械手举例 气动翻转机械手部件设计 6 械手虚拟样机 第二种设计的新型气动机械手的虚拟样机如图1中腰部转动关节由比例流量阀式摆动气缸实现; 大臂和中臂之间的俯仰运动由比例流量阀驱动单出杆双作用直线汽缸实现。而中臂与小臂之间由可调支撑件来手动调节角度, 并配合调节小臂的螺纹连接件, 来控制机械手末端在笛卡尔空间坐标系中的位置。手抓部位的夹持力通过控制直线气缸来调节。 在设计的机械手虚拟样机中, 底座与躯干以固定副相连, 躯干与大臂以转动副相连, 大臂与中臂以转动副相连, 中臂、可调支撑和小臂以固定副相连, 小臂与手腕以固定副相连, 直线气缸部位以平动副相连, 添加约束后如图所示。 精度机械手 第三种如图1械手具备有：水平缸直升降缸1动式机械手 图1械手虚拟样机 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 伸缩缸指开合不记）。由于手臂采用悬臂方式，活塞缸所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，我们用了具有良好导向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸。手指采用两只肘洁是卡爪，通过铝合金奥通和伸摆缸连接，增强了伸缩气缸的导向型和抗弯能力。手指采用自行设计的可以根据被夹工件实际形状要求设计成不同的结构。无杆缸、升降缸和伸摆缸通过硬质铝合金连接板连接，结构简单，便于加工和连接。位移传感器和无杆缸相连，检测 图1动机械手结构图 气动翻转机械手部件设计 8 第2章 气动翻转机械手总体设计 对气动翻转机械手的抓取系统、翻转系统和连接系统进行设计，包括抓取部件、翻转部件及连接部件和气动执行部件。根据气动执行部件来驱动抓取部件中的齿条运动，带动齿轮、齿条一起运动，最终造成两个齿条的相互运动，实现外部的抓取功能。然后通过连接部件实现两根轴在同一条线上的不同方向转动，再通过翻转部件实现两个抓取物件同时翻转的功能。 取系统的初步设计 如图所示，本次设计所夹取物件形状为圆柱型，即罐装瓶子之类的。原理分析如下:齿条1与夹紧臂1用螺钉连接，齿轮2与夹紧臂2也是如此；齿条1与齿条2通过齿轮连接；当推动轴由于气动装置往左推进时，这时夹紧臂1，轴带动齿条1往左动，从而带动齿轮转动，最终带动齿条2向右移动,在外部实现了夹紧被抓物件的要求。在实现翻转功能后，推动轴由于气动装置往右退回时，夹紧装置的两个叶片就会放开，从而松开被夹物件。 转系统的初步设计 齿轮电机翻转 图2紧装置二维图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 原理说明：通过电机推动底下的齿轮1转动，同时斜齿轮1也跟着转动，由图可见斜齿轮2和斜齿轮3也跟着以相反方向转动。由于夹紧装置与斜齿轮的转动轴固定，则两个夹紧装置也会以相反方向实现翻转，即一个运动进程实现两次抓取和不同方向的翻转。 轮链条气缸翻转 图2转系统2 原理说明：通过底下气缸推动齿条1向后方向移动（这时链轮1由于齿条的运动而转动；由于夹紧装置1的转动轴与链条1的转动轴固定，所以夹紧装置也跟着转动），带动齿轮转动，再带动齿条2向下移动（与齿条1方向相反），带动链条2以与链条1相反的方向运动，最终使夹紧装置2产生与夹紧装置1相反方向的转动。这时就实现了一个运动进程实现两次抓取和不同方向的翻转。 转方案选择 由于第一种方案中的齿轮斜齿轮和斜齿条的配合在实际生产中比较难以加工，制作成本和要求都很大；第一种方案的动力驱动为电机驱动，不符合本次设计气压驱动的要求，图2转系统1 气动翻转机械手部件设计 10 而且电机驱动传动效率也不高；相比较而言，第二种方案的链轮链条设计制作成本较低，设计简单容易实现，驱动方式为气缸驱动，符合本次设计要求；所以经过最后的校核和评估，本次设计采用低二种方案。 配思路 动翻转机械手各部分的具体结构设计，利用行装配分析，进一步改进结构设计。分别对各个零件进行建模，再装配分析是否出现尺寸大小不配套还有运动机构卡死等问题，如果有的话必须调整方案或数据。最后通过改进实现最后的装配。装配完后进行投影二维图纸并标注，某些重要的零部件要进行剖视处理。最后得到较好的装配图、二维图纸和三维图纸。 动翻转机械手的运动学仿真 通过建立的三维模型，进行运动学仿真分析，分抓取系统、气动驱动和翻转系统三个阶段进行动力学分析。运动仿真时要看能不能运动的起来，确保气动翻转机械手实现翻转和气动的功能。 本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在前人的基础上，通过三维环境完成气动翻转机械手的设计仿真，并对其进行初步的运动学分析。对 目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。 一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3计软件,它不仅具有强大功能,同时还具有功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段9。 运用过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的气动翻转机械手,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成气动翻转机浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 械手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3究思路方案、可行性分析及预期成果 气动翻转机械手动仿真是机构设计的一个重要内容, 在过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。 本次毕业设计以及其中的运动学仿真功能建立气动翻转机械手的运动仿真模型。首先在中建立气动翻转机械手的三维后完成气动翻转机械手的装配，设置机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的气动翻转机械手的仿真模型。 可行性分析:抓取和翻转系统的结构设计和研究是机械手方面研究的基础。因此，对具有理想结构的抓取和翻转系统进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行抓取和翻转系统的结构设计研究，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对机械手进行研究, 使机械手能比较完美的在抓取和翻转物体。在前人研究工作基础上，本设计论文进行气动翻转机械手设计与仿真，在基本原理上是可行的。 本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识，以及人已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。 指导老师在气动翻转机械手的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可