小型气动机械手的设计

1、小型气动机械手的设计摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计DesignofSmallPneumaticManipulatorAbstract:Thisar

2、ticlemainlyhascarriedontheoverallstructuraldesignandaerodynamicdesignofpneumaticmanipulator.Robotmechanicalstructureiscomposedofacylinder,apneumaticclawandaconnectingpiece,accordingtoapredeterminedtrajectory,onaworkpiecegripping,conveyingandunloading.Pneumaticmainpartofthedesignistochooseappropriate

3、controlvalve,therationaldesignofpneumaticcontrolcircuit,thecontrolandregulationofeachcylinderofcompressedairpressure,flowanddirectiontothepneumaticactuatortoobtainthenecessaryforce,speedofactionandchangethedirectionofmovement,andaccordingtotheprescribedprocedureswork.Pneumaticmachineryasamanipulator

4、,whichhastheadvantagesofsimplestructure,lightweight,quickaction,stable,reliable,energysavingandnopollutiontoenvironmenthasbeenwidelyused.Keywords:Pneumaticmanipulator;cylinder;controlvalve;Circuit;thedesign1前言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经

5、济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成

6、为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可

7、靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（可实现任意位置上的精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90年代初,由布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人一一“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6个脚中的每一个脚都有3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/退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥

8、感技术和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动，并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下（或通过自身的编程控制）能与人进行对话，或作自我介绍等。Tron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体，它告诉我们，气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的

9、快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一股气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械

10、手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。2气动机械手的总体设计方案2.1 机械手的基本结构机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构主要是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。2.1.1 手部手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部。气动手指是模拟人的手指抓紧工件，以实现机械手的动作的气缸。按结构特点可分为旋转驱动型、平行开闭型、支点开闭型和三爪开闭型。2.1.2 腕部腕部与手部相连，主要

11、功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转气压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，一般小于270度，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。2.1.3 臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把

12、手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。2.2 机械手的基本形式选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械手

13、；（4）多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。2.3 机械手的主要部件及运动参数设计在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有4个自由度：手臂伸缩；手臂回转；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和4个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机

14、构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动1。设计技术参数：(1)抓重:2Kg(夹持式手部)(2)自由度数:4个自由度(3)座标型式：圆柱座标(4)最大工作半径:600mm(5)手臂最大中心高:400mm(6)手臂运动参数伸缩行程：350mm伸缩速度：-200mm/s升降行程：250mm升降速度：-100mm/s回转范围：0360°回转速度：-60mm/s3手部的设计3.1 手部的基本要求为了使机械手的通用性更强，把机械

15、手的手部结构设计成可更换结构，当工件是圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次设计采用的是夹持式手部结构。3.1.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜锲杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.2 对手部的基本要求(1)具有足够的夹紧力；在确定手指的夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(2)手指间应具有一定的开闭角；两手指张开和闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，夹持不同直径的工件，应

16、按最大直径的工件考虑，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。(3)保证工件准确定位；在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用IT8级，能满足工件的定位。(4)具有足够的强度和刚度；手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。(5)考虑被抓工件的形状要求。3.2 手部的结构设计根据本机械手的使用范围，本机械手采用手指式机械手部。根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便如图1。广电图1齿轮齿条式手部Fig1Thehand

17、ofgearwheel之所以不选用平行开闭手指是因为其所夹紧的工件直径较大，开闭行程比较难满足。3.3 手部的计算3.3.1 手指夹紧力的计算(1)手指夹在工件上的夹紧力时设计手部的主要依据，一般来说手指对工件的火紧力可按下式计算：Fn-KiK2K3G式中：Ki安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在1.22.0,故取1.5;K2工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工件情况系数K2,K2=1+a/g=1+(200/100-0)/10/10=1.02,故取1；K3方位系数，根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选定，K3=0.5sin6/f,摩擦系数f=0.1,8=60

18、°,故取3。G被抓取的工件的重量Kg详细D=W=G图=纸：三二1爸爸五四。六3231885406)男19岁7月13日(公巨蟹座属虎(2)(3)会回(伞号爷号的子将与穿得的空间全套资料低拾10快起所以Fn至1.5父1父3M2=9N。3.3.2 驱动力计算根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：2b匚pFnR由图3-2可知，b=120mm,R=24mm,故p=2bFN=90NR实际驱动力:P实际PK1K2/因为8级精度的齿轮传动的效率”=0.97,巳=1.5,K2=1。所以电际=901.51-0.97=139.2N所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为139.2N。3.3.3 气压缸直径计算

19、本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力。其公式为：2F1=nDP/4-Ft-Fz(4)式中：F1活塞杆上的推力，NFt弹簧反彳用力，NFz气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa。弹簧反作用力计算如下：Ft=Gf(ls)Gf=Gdi4/D；nDt=D2T式中：Gf弹簧刚度，N/ml弹簧预压缩量，ms活塞行程，md1弹簧钢丝直径，mDt弹簧平均直径，mD2弹簧外径，mn弹簧有效圈数，G弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4109Pa在设计中，必须考虑负载率”的影响，故：(5)(6)F1=二D2P/4-Ft由以上分析得单向

20、作用气缸的直径：代入有关数据，可得:C_Gd；f8D13n名称修改日期大小AAG=一范机械手装配图,dwg2017/9/1814:36AutoCAD图兆153KB嘴42-回转直体,dwg2017/9/1814:36AutoCAD图形52KB项A2-回解下挡板dwg2017/9/1314:36AutoCAD图形51KB嗡A3活骞dwg2017/9/1514:37AutoCAD图布45KB”A2-夹紧缸体dwg2017/9/1S14:37AutoCAD图形61KB嘴A2-气缸挡板dwg2016/10/1815:38AutoCAD图形146KB稣A2.气压图.dwg2016/10/1815:37Au

21、toCAD图形140KB国AW-回转缸动片.dwg2016/10/1015:40AutoCAD图形116KB隅A4-回SMdwg2016/10/1815:37AutoCAD圄形110KB皿A0-气动机械手装配邕jpg2017/9/1B14:36JPEG图酷51KB切开磁告doc2017/9/1813:34MicrosoftOffice,.36KB司目录d%2013/5/2717:01MicrosoftOffice,28KBjeB.doc2017/9/1813:33LlicrosoftOffice.57KB；期小型气动机械手的设计dcx2017/9/1814:34MicrosoftOffice8

22、64KB到中期检查due2017/9/1B13:32MicrosoftOffice-.30KB79.4X109X(3.5X103)4=8X(30X103)3X15=3677.46(/m)Ft=Gf(ls)=3677.466010，=220.6(N)所以可得到4(FiFt)u-：二p1=4(139.2220.6)“二(0.5106尸0.62=39.08(mm)查机械设计手册(气压传动)表22-1-20,得D=40mm由2d/D=0.30.5,可得活塞杆直径：d=(0.30.5)D=1220mm故取活塞杆直径d=18mmK核，按公式：F1/(二/4d2)“。化简得d_(4F1/二二)0.5其中，二

23、=120MPa,F1=139.2N则：d_(4139.2/7：120)0.5=1.22<18所以满足活塞杆设计要求。3.3.4缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,由于D/6E10,故其壁厚可按厚壁筒公式1计算：、.,D(二0.4Py二-1.3Py-1)/2式中6缸筒壁厚mmD气缸内径mmPy实验压力，取Py=1.5Pn,Pa缸筒应采用不锈钢、铝合金或黄铜等材质本设计采用材料：ZL303-=；：b/n=143/5=28.6MPan为安全系数，一般取5。(286+0.4X0.75)X1C662M0j-1/2(286-1.3X0

24、.75)M06=0.456(mm故取2=2.5mm,则缸筒外径为40+2.5><2=45mm4腕部的设计4.1 腕部的基本要求考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必须设有回转运动才可能满足工作的要求。换句话说，为了使手部出于空间任意方向，要求腕部能分别对空间三个坐标轴X、Y、Z实现转动。手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。设计时主要要注意以下几点：(1)结构尽量紧凑以减轻重量；(2)转动的灵活性及密封性；(3)考虑通向手部油路的配置。4.2 腕部的结构设计手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具备有独立的自由

25、度，使得机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置；同时考虑到通用性，因此给手腕设计一绕X轴转动回转运动才可以满足工作的要求，目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，它的结构紧凑，但回0转角度小于360度，并且要求严格的密封图2手腕回转时受力状态1-工件2-手部3-手腕Fig2Thestressstateofwristrotation1- the2-hand3-wrist驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩已经由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。如图

26、2。4.3腕部的计算4.3.1 驱动力计算手腕转动时所需的驱动力矩可按1下式计算：M驱=乂惯+M偏+M摩+M封(8)式中：M驱一一驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm)M惯一惯，卜力矩网cm)M偏一一偏重力矩(Ncm)M封一一手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Ncm)。根据图4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：(D若手腕起动过程按等加速运动，手腕角速度为0,起动过程所用的时间为a,则：M惯=（J+J1）（Ncm）式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（Ncms2）J1工件对手腕转动轴线的转动惯量（Ncms2）&手腕转动时白角速度（弧度ZS）t起动过

27、程所需的时间（s）若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J为：(10)I.G1尽J1-Jcelg式中：Jc工件对过重心轴线的转动惯量（Ncms2）G1工件的重量（N）e工件的重心到转动轴线的偏心距（cm）（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M偏=GieG3e3（Ncm）（11）式中：G3手腕转动件的重量（N）e3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cnj）当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1ei=0。（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩M摩=f（Rd2+RBdi）（Ncm）式中：di,d2转动轴的轴颈直径（cMf摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=

28、0.1Ra,Rb处的支承反力（N）,可按手腕转动轴的受力分析求解，根据£Ma（F）=0,得：RbIG3I3=G2G1I1G1I1G12-G3l3Rb一同理，根据ZMb（F）=0,得:Gi(lli)G2(l12)G3(l-13)RA=l式中：G2手部的重量(N)l,l1,12,l3长度尺寸(cm)。4.3.2气压缸压力验算(12)它的原理如图3在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸,所示。图3回转气缸Fig3Rotarycylinder定片1与缸体2周连，动片3与回转轴5周连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当液体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的液体从b孔

29、排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。叶片J气缸的压力p和驱动力矩M的关系为：P2MbR2-r2pb(R-r)或M二2(13)式中:M回转气缸的驱动力矩(N.cm)(N.cm)P回转气缸的工作压力缸体内壁半径(cm)输出轴半径(cm)动片范度(cm)0气缸长度设计为b=100mm气缸内径为D1=96mm,半径R=48mm轴径D2=26mm,半径R=13mMX缸运行角速度900/s,加速度时间&=0.1s,压强p=0.4MPa,则力矩：_22M二pb(R一)2_0.4X106X0.1(0.0482-0.0262)=32.6(N(1)测定参与手腕转动的部件的质量.m)m1=10kg,质量密度

30、等效分布在一个半径r=50mm的圆盘上，那么转动惯量:(14)2=0.0125(kg工件的质量为2kg,质量分布于长2m)l=200mm玻璃杯上，那么转动惯量:=0.0066ml21220.2212假如工件中心与转动轴线不重合，对于长e=50mm,其转动惯量为：J=Jcc(15)(kgm2)l=200mm的玻璃杯来说，最大偏心距(16)=0.0066+20.052=0.0117(kgm2)“惯=(J+J,?t(17)=(0.0125+0.0117)9001=21.8(Nm)(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕动作重心与转动轴线重合，e=0,夹持工件一端时工件重

31、心偏离转动轴线a=50mm则有:=2M偏=G1el*G3e3100.05(18)=100.05=1(Nm)(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩,对于滚动轴承f=0.01,滑动轴承f=0.1,d1,d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1=30mm,d2=20mm,Ra,Rb为轴颈处的支承反力，粗略彳4计RA=300N,Rb=150N。乂摩=1火八2十RbQ)(19)2_0.01(3000.021500.03)2=0.15(Nm)(4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况具体分析。此处粗略估计M封为M摩的3倍，则有:M封=3父M摩(

32、20)=30.05=0.15(Nm)故MlM惯+M偏+M摩+M封=21.8+1+0.05+0.15=23(Nm)因为M驱M所以满足设计要求。5臂部的设计5.1 臂部的基本要求臂部是支撑手部和腕部的，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。臂部的运动与结构形式对机械手的工作性能有着重大的影响。其基本要求有：刚度要好手臂的截面形式要选择合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。(2)偏重力矩要小所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。(3)重量要轻，惯性要小由于机械手在高速的情况下经常启停和换向，为了减少冲击，必须设有

33、缓冲装置。导向性要好为了防止手臂在直线移动中沿运动轴线发生相对运动，保证手部的正确方向，必须设有一导向装置。具结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。5.2 臂部的具体设计方案常见的手臂伸缩机构有以下几种：(1)双导杆手臂伸缩机构；(2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；双活塞杆液压缸结构；(4)活塞杆和齿轮齿条机构。在本次设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参考各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本次设计的要求，气缸采用CTA系列的伸缩气缸。初选内径

34、80/50,故D2=50mm,R=25mm,设计所使用的压强P=0.4MPa。5.3 手臂伸缩的计算手臂伸缩时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式1计算：Pq=Fm+Fgkgf(21)式中：Fm摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与气缸及密封处的摩擦阻力Fg起动过程的惯性力；其大小按下式1估算G%二三(22)式中：G手臂移动部件的总质量kgfg重力加速度m/s2手臂运动速度m/st起动时所需的时间s一般t=0.01s0.5sFm=kFgK摩擦系数,一般k=0.2,故：GPq=Fg+Fm=1.2gt=1.2300.50.1=180(N)液压缸实际驱动力F=P讥rZmO/m106M3.14M

35、0.0252=785(N)因为F>Pq故满足设计要求。5.4手臂升降的计算5.4.1 尺寸设计气缸运行长度设计为l=250mm,气缸内径为R=63mm,半径R=31.5mm,气缸运行速度，加速度时间At=0.1s,设计压强P=0.4MPa,则驱动力为：F=p二R2=0.41063.140.03152=1246.3(N)5.4.2 尺寸校核升降运动时，活塞气缸的驱动力可按下式1计算PQ=FmFg-W(23)式中：Fm各个支撑处的摩擦力kgfFg启动时惯性力kgfW运动部件(包括手部、腕部、工件等的总重量)kgf上升时为正，下降时为负Fm取0.5Fg,代人数据可得：Pq=FmFg-W1.5X

36、50X0.5c,±500.1275二50因为PQ<F故所设计尺寸符合实际使用要求5.5手臂回转气缸的计算5.5.1 尺寸设计气缸长度设计为b=120mm缸内径为D1=210mm，半径R=105mmtt径D2=40mm,半径R=20mm气缸运行角速度E=90°/s,加速度时间it=0.5s,压强P=0.4MPa则力矩:Pb(R2-r2)2二0.41060.12(0.1052-0.022)2=255(N，m)5.5.2 尺寸校核腕部回转时驱动力矩可按下式计算：M驱=M惯+M偏+M摩+M封式中：M驱一一驱动手腕转动的驱动力矩(N,cm)M惯一一惯Tt力矩(Ncm)M偏偏重力

37、矩(Ncm)M封一一手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N.cm)。(1)测定参与手腕转动的部件的质量mi=100kg,质量密度等效分布在一个半径r=100mm的圆盘上，那么转动惯量：2.mrJ=2_2_1000.122=0.5(kgm)M惯=J心/At=90(Nm)(2)手腕转动件和工件的偏重转动轴线所产生的偏重力矩M偏，考虑动件重心与转动轴线重合，故向=。，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线ea=50mm,故：M偏=Ge3=100M0.05M10=50(Nm)(3)转动气缸转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2,故：M摩

38、=k'M惯=0.2父90=18(Nm)M封=3M摩=3父18=54(Nm)则有：M驱=乂惯+M偏+M摩+M封=90+50+18+54=212(Nm)因为M驱M故回转气缸满足设计要求。6气动系统设计6.1气动系统的设计要求及选择本次设计的工业机械手属坐标式机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂开降机构等构成。设计要求：(1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现；(2)机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动

39、换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调；(3)控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。本次设计采用气压传动的控制方式，相比其他传动控制方式，气压传动有以下优点：(1)工作介质是空气，它来源方便，取之不尽用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要专门的回收装置；(2)空气粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能，高效，适用于集中供气和远距离输送；(3)动作迅速，反应快，调节方便，维护简单；(4)工作环境适应性好；(5)成本低，具有过载保护功能。6.2 气压回路的选择6.2.1 各气压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，采用

40、可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。气压机械手采用单泵供气，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供气，这样可有效降低系统的供气压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。6.2.2 调速方案整个气压系统只用单泵工作，各气压缸所需的流量相差较大，各气压缸都用气压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的气压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证气压缸的平稳运行。各缸可选择进气路或回气路节流调速，选用节流阀调速。单泵供气系统以所有气压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。6.2.3 缓冲回路伸缩臂处设置缓冲回路，使用节流减速缓冲。6.2.4 系统安全可靠性手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。6.3 气压传动系统工作原理图6.3.1 工作原理图图4所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机(1Mpa)通过快换接头进入出气罐，经分水过滤器、油雾器、进入各并联气路上的电池阀，以控制气缸和手部动作。具体工作原理如下：当工件A进入机械手范围内时，电磁阀1AY开启，手臂伸长