小型气动机械手的设计

PAGE5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:Thisarticlemainlyhascarriedontheoverallstructuraldesignandaerodynamicdesignofpneumaticmanipulator.Robotmechanicalstructureiscomposedofacylinder,apneumaticclawandaconnectingpiece,accordingtoapredeterminedtrajectory,onaworkpiecegripping,conveyingandunloading.Pneumaticmainpartofthedesignistochooseappropriatecontrolvalve,therationaldesignofpneumaticcontrolcircuit,thecontrolandregulationofeachcylinderofcompressedairpressure,flowanddirectiontothepneumaticactuatortoobtainthenecessaryforce,speedofactionandchangethedirectionofmovement,andaccordingtotheprescribedprocedureswork.Pneumaticmachineryasamanipulator,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——“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。图1齿轮齿条式手部Fig1Thehandofgearwheel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夹紧力可按下式计算：（1）式中：——安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在1.2~2.0，故取1.5；——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，=1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=1.02，故取1；——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，，摩擦系数,故取3。——被抓取的工件的重量Kg详细D=W=G图=纸：三二③1爸爸五四0六全套资料低拾10快起所以。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：（2）由图3-2可知，b=120mm,R=24mm,故=90N实际驱动力：（3）因为8级精度的齿轮传动的效率，，。所以N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：（4）式中：——活塞杆上的推力，N——弹簧反作用力，N——气缸工作时的总阻力，N——气缸工作压力，Pa。弹簧反作用力计算如下：式中：——弹簧刚度，N/m——弹簧预压缩量，m——活塞行程，m——弹簧钢丝直径，m——弹簧平均直径，m——弹簧外径，m——弹簧有效圈数，——弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，故：（5）由以上分析得单向作用气缸的直径: （6）代入有关数据，可得：==3677.46(/m)=3677.4660=220.6(N)所以可得到==39.08(mm)查《机械设计手册（气压传动）》表22-1-20，得D=40mm由[2]d/D=0.3~0.5，可得活塞杆直径：d=(0.3~0.5)D=12~20mm故取活塞杆直径d=18mm校核，按公式：化简得其中，则：=1.2218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/,故其壁厚可按厚壁筒公式[1]计算:（7）式中——缸筒壁厚mmD——气缸内径mmP——实验压力，取P=1.5P，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：ZL303n为安全系数，一般取5。=0.456（mm）故取，则缸筒外径为40+2.52=45mm。4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： (8)式中：——驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm)——惯性力矩(Ncm)——偏重力矩(Ncm)——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：（1）若手腕起动过程按等加速运动，手腕角速度为，起动过程所用的时间为，则： (Ncm) (9)式中：——参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N）——工件对手腕转动轴线的转动惯量（N）——手腕转动时的角速度（弧度/S）——起动过程所需的时间（s）若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为： (10)式中：——工件对过重心轴线的转动惯量（N）——工件的重量(N)——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(Ncm)(11)式中：——手腕转动件的重量（N）——手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm）当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则。手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩(Ncm)式中：——转动轴的轴颈直径（cm）——摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承——处的支承反力（N），可按手腕转动轴的受力分析求解，根据，得：同理，根据，得： (12)式中：——手部的重量(N)——长度尺寸（cm）。4.3.2气压缸压力验算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，它的原理如图3所示。图3回转气缸Fig3Rotarycylinder定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。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:或 (13)式中：M——回转气缸的驱动力矩(N﹒cm)P——回转气缸的工作压力(N﹒cm)R——缸体内壁半径(cm)r——输出轴半径(cm)b——动片宽度(cm)。气缸长度设计为b=100mm，气缸内径为，半径R=48mm，轴径mm,半径R=13mm,气缸运行角速度，加速度时间，压强p=0.4MPa,则力矩：==32.6(N﹒m)测定参与手腕转动的部件的质量，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：(14)==0.0125(kg)工件的质量为2kg,质量分布于长玻璃杯上，那么转动惯量：(15)==0.0066（kg）假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的玻璃杯来说，最大偏心距，其转动惯量为：(16)=0.0066+2=0.0117（kg）(17)=(0.0125+0.0117)=21.8(N)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，考虑手腕动作重心与转动轴线重合，，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线=50mm，则有：(18)=2=1(N)(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，滑动轴承，为手腕转动轴的轴颈直径，，为轴颈处的支承反力，粗略估计。(19)==0.15（N）(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，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况具体分析。此处粗略估计为的3倍，则有：=3(20)=3=0.15（N）故=21.8+1+0.05+0.15=23（N）因为所以满足设计要求。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：(1)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，必须设有缓冲装置。(4)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。其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；(3)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80/50，故mm，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：(21)式中：——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——起动过程的惯性力；其大小按下式[1]估算 (22)式中：G——手臂移动部件的总质量kgfg——重力加速度——手臂运动速度t——起动时所需的时间s一般t=0.01s~0.5sK——摩擦系数，一般k=0.2，故：==180（N）液压缸实际驱动力==785（N）因为F>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，气缸内径为，半径R=31.5mm，气缸运行速度，加速度时间，设计压强P=0.4MPa，则驱动力为：==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(23)式中：——各个支撑处的摩擦力kgf——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，下降时为负取0.5，代人数据可得：===因为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,气缸内径为，半径R=105mm，轴径，半径R=20mm，气缸运行角速度，加速度时间，压强P=0.4MPa。则力矩：==（N）5.5.2尺寸校核腕部回转时驱动力矩可按下式计算：式中：——驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm)——惯性力矩(Ncm)——偏重力矩(Ncm)——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)。（1）测定参与手腕转动的部件的质量，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：==0.5(kg)=90（N）（2）手腕转动件和工件的偏重转动轴线所产生的偏重力矩，考虑动件重心与转动轴线重合，故，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线，故：=100=50（N）转动气缸转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2,故：=0.2（N）（N）则有：=90+50+18+54=212（N）因为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，手臂升降机构等构成。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，夹紧缸左边阀9AY开启经排气口排空，将工件夹好；另一路7AY通电，手臂回转，1AY断电，2AY通电，手臂缩回；机身下降3AY通电，之后旋转到达目的机身回转5AY通电，10AY通电，夹紧缸伸出工件掉落。回路时，5AY断电，6AY通电，回转到一定角度后，3AY断电，4AY通电，机身上升；当达到高度时，重复。图4气压系统原理图Schematicdiagramof4pressuresystem7结论本次毕业设计，花费了较多的心思设计的气动机械手能很好的完成搬运和装卸运动。通过机身的收缩实现上下运动，通过臂架的收缩实现左右运