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本科毕业论文（设计、创作）
题目：
气动机械手的结构设计
学生姓名：
秦兵练学号：
120108505
所在系院：
机械工程学院专业：
机械设计制造及其自动化
入学时间：
2012年9月
导师姓名：
吴建美职称/学位：
讲师/硕士
导师所在单位：
安徽三联学院
完成时间：
2016年5月
安徽三联学院教务处制
气动机械手的结构设计
摘要:
机械手是模仿人的手的动作，根据给定的程序，跟踪和要求达到的自动装置的自动采集，处理和操作。
本篇论文设计着重介绍气动机械手，并计算相关相关数据得出合理的结果。
气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、安全、节能、环保、可实现无级调速、可实现过载保护等优点,适用于汽车生产业、食品和药品包装行业、精密仪器制造业和军事工业等。
为了增强机械手的通用性和互换性,使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能,本文采用模块化气动机械手,对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计,方便机械手的标准化生产和使用。
它具有很多优秀的性能可以完全胜任现代工业生产要求。
气动机械手的设计要求就是要求我们将人们从劳烦的生产中解放出来，这就需要将其设计具有能帮助人们工作。
关键词:
气动机械手；模块化设计；结构设计；自由度
TheStructureofthePneumaticManipulatorDesign
Abstract:
Inthispaperthehandofthemanipulatorisimitationofaction,accordingtothegivenprogram,trackandrequirementstoachieveautomaticdeviceofautomaticdatacollection,processingandoperation.Thispaperintroducesthedesignofpneumaticmanipulator,andcalculatetherelevantdatarelatedtothereasonableresultsareobtained.
Thestructureofthepneumaticmanipulatordesigninvolvesalotofmechanicalprofessionalspecialknowledge,needtomasterthecomplextheoreticalanalysisabilityanddesignideas,largerworkload.Basedontheintegrationinthefieldofmechanicalmanufacturingandautomationprofessionalfouryearsofexperience,discussesandanalyzestheindustrialrobot'smechanicalstructureandfunctionofeachpart.Pneumaticmanipulatorasapracticalnewtypeofmechanicalproductionequipment,canreplacemanualworkinthecomparisonofheavylabor。
Ithasmanyexcellentperformancecanbefullycompetentformodernindustrialproductionrequirements.PneumaticmanipulatordesignrequirementisaskingmePeoplewillbeliberatedfromthetroubleofproduction,whichrequiresthedesignistohelppeoplework.
Keywords:
Pneumaticmanipulator;Modulardesign;Structuredesign;Freedom
目录
1绪论 1
1.1工业机械手的国内外发展历史和现状. 1
1.1.1国外发展状况 1
1.1.2国内发展状况 1
1.2气动技术发展状况 1
1.3课题的研究目的及意义 2
1.4研究内容和拟解决的问题 2
1.4.1本课题的研究内容 2
1.4.2拟解决的问题 3
2机械手的设计要求及总体设计方案 4
2.1换刀装置的类型 4
2.2机械手的坐标形式与自由度 5
2.3机械手工作过程及工步时间分配 7
2.4机械手的基本参数 9
2.5模块化设计 10
2.5.1模块划分的一般原则 10
2.5.2模块设计的方法 10
2.5.3模块式机械手及组成 11
2.6机械手的总体方案设计 12
2.7电机的选择 13
2.8小结 14
3气动机械手的设计 15
3.1.手部结构设计 15
3.2手臂结构设计 16
3.3基座结构设计 17
3.3.1机械手基座的设计原则 17
3.3.2传动装置运动和动力参数计算 18
3.3.3主要传动尺寸的确定 18
4总结与展望 20
4.1总结 20
致谢 21
参考文献 22
1绪论
1.1工业机械手的国内外发展历史和现状.
机械手是可以模仿人的一部分动作,并按一定程序、轨迹和精度要求来实现自动抓取、搬运和操作的全自动机械装置。
工业机械手最早应用与汽车制造业,一般用在于焊接、喷漆和搬运。
气动机械手结构设计研究的意义是为了工业的发展，减轻人在工业中的劳动。
促进了人类的生活变得全部自能化。
并且研究机械手可以使人们对我们的物质文化的更加清晰的认识。
对我们在解放劳动生产力和解放自身提高人类智慧有着提高作用。
1.1.1国外发展状况
（1）美国
1954年George.C.Devol制造了关节型搬运装置。
60年代,Devol和JosephF.Engelberger组建了Unimation公司,生产了世界上的第一台机器人）Unimate[1]（意为万能自动）,是一台五轴液压机器人。
（2）日本
日本在机器制造比较慢，但是由于其引进美国技术并发展、消化、应用。
1967年,东京机械贸易公司从从美国引进Versatran机器人并对它进行改造,增加了视觉功能,使其成为具有智能的机器人。
1.1.2国内发展状况
我国在七十年代初开始研制工业机器人,国内知名院校和企业分别开发了固定程序、组合式、液压伺服通用机器人[2],并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。
20世纪80年代,我国开始逐渐重视机器生产，我国的机械技术步入飞速时代
。
在现代的社会中，国家大力发展机器，工业慢慢步入全自动化步骤。
1.2气动技术发展状况
气动技术在现代生产制造中被越来越广泛地应用。
现代随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的飞速发展,气动技术在以实际应用的前提下不断创新,得到了飞速发展气动技术作为便宜的自动化技术。
在现代化机械自动化生产中,几乎都配有气动系统。
现代中，落后的机械已经无法满足工厂的需求，这就需要我们提高机械的运动速度和准确度，提高全自动化。
“如果采用电一气伺服定位系统可以非常方便地实现多点无级定位（柔性定位）和无级调速”[3]。
此外,利用伺服定位气缸运动速度的连续可调性来代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式,可以达到最佳的速度和缓冲效果,大幅度降低气缸的动作时间,缩短工序节拍,提高生产率。
使用电气伺服阀的控制系统有以下特点:
（1）“可实现压力和速度的无级调节,避免了传统开关式气阀换向时的冲击问题”[4]；
（2）能实现远程控制和程序控制；
（3）与断续控制相比,系统简化,元件大大减少；
（4）使用功率小、发热少、噪声低；
（5）不会发生火灾,不污染环境。
受温度变化的影响小；
（6）系统没有回收管路,可做到体积小、成本、操作方便和容易保；
随着现代科技不断地发展，引起了气动技术的飞跃发展，国内一些企业和机构不断重视气动技术，气动技术满足了很多行业生产的需求。
机械手带动工业的发展，让我们明白只有不断发展机械，才能让国家工业不断提升。
1.3课题的研究目的及意义
本课题的目的是解放生产力，从人们从劳动中解放出来，取代人类在工厂流水的生产。
节约成本，安全生产。
在一定程度上减轻劳动成本，提高生产速度。
为生产中的全自动生产提供了基础。
气动机械手结构设计研究的意义是为了工业的发展，减轻人在工业中的劳动。
促进了人类的生活变得全部自能化。
并且研究机械手可以使人们对我们的物质文化的更加清晰的认识。
对我们在解放劳动生产力和解放自身提高人类智慧有着提高作用。
1.4研究内容和拟解决的问题
1.4.1本课题的研究内容
（1）确定机械手的总体方案
在研究机械手的方案上，我们要根据它的特点和要求来进行研究并且确定方案。
对于机械手我们要要求他能快速的整理和搬运物件，并且要保证生产安全，这就要求机械手及有一定的快速反应，高精度的能承载一定劳动承载能力的设计，来帮助人们完成预期的动作。
本课题就是要研究机械手的设计流程，通过机械手解放劳动。
（2）机械手各执行机构设计
（3）机械手模块化设计
把机械手分成四个部分，分别是感知、控制、主机和执行四个部分。
并对这四个部分进行具体的细分化设计，来满足我们队生产的需要。
并且在地带执行元件的设计上，要满足设计要求和设计原则。
1.4.2拟解决的问题
（1）如何解决气动机械手的结构问题
（2）如何合理设置气动机械手各个元器件之间的连接件
（3）气动机械手能够实现的功能
（4）气动机械手的力度控制问题，提高其灵活度
（5）气动机械手的材料选取
2机械手的设计要求及总体设计方案
气动机械手的设计要求就是要求我们将人们从劳烦的生产中解放出来，这就需要将其设计具有能帮助人们工作。
在生产中能够灵活准确的帮助人们工作，能够自动定位和快速工作。
设计气动机械手的原则是;根据对气动机械手的作业技术要求，设计合理的步骤，来满足机械手的设计要求，并且能在恶劣，特殊的环境中，满足对不同环境、地域的兼顾通用性，并实现全自动化。
2.1换刀装置的类型
换刀装置的类型和特点如表2-1所示
表2-1换刀装置的类型和特点
刀库类型
刀库类型特点
链式
刀的数量多、灵活
盘式
结构简单、刀的数量少
转塔式
应用范围广，但是噪音较大，占地空间大
在换刀机械手的加工过程中，有4个类型，分别如下：
1）单臂式公用换刀机械手
2）双臂式公用换刀机械手
3）回转式公用换刀机械手
4）轨道式公用换刀机械手
加工中心对自动换刀装置有如下具体要求:
1）刀库容量适当
2）换刀时间短
3）换刀空间小
4）动作可靠、使用稳定
5）刀具重复定位精度高
6）刀具识别准确
通过对我们上面的总结可以确定了我们的基本方案。
我们所选用的刀库可以选择最简单的盘式刀库，它所需要的容量为12把刀。
每次还刀为旋转90°，每次5s左右。
在生产中一般我们所采用的是对于我们最简单的刀座编码法。
2.2机械手的坐标形式与自由度
机械手手臂的坐标形式有4种，不同的坐标形式有不同的特点，分别如下:
直角坐标系:
1）在三个直线方向上移动,运动容易想象
2）计算比较方便
3）要求保留较大的移动空间,占用空间较大
4）要求有较大的平面安装区域
5）滑动部件表面的密封较困难,容易被污染
圆柱坐标系:
1）容易想象和计算
2）直线驱动部分若采用液压驱动,则可输出较大的动力
3）能够伸入型腔式机器内部
4）手臂端部可以达到的空间受限制,不能到达靠近立柱或地面的空间
5）直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质
6）后缩手臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其他物体
极坐标系:
1）在中心支架附近的工作范围较大
2）两个转动驱动装置容易密封
3）覆盖工作空间较大
4）坐标系较复杂,较难想象和控制
5）直线驱动装置仍存在密封问题
6）存在工作死区
多关节坐标系:
1）动作较灵活,工作空间大
2）关节驱动处容易密封防尘
3）工作条件要求低,可在水下等环境中工作
4）适合于电动机驱动
5）运动难以想象和控制,计算量较大
6）不适于液压驱动
主运动和辅助运动是机械手运动的两个部分。
在机械手的运动，主运动是手臂和立柱的运动，辅助运动是手腕和手指的运动。
机械手具有四个自由度。
图2-2所示为机械手的运动示意图。
图2-2机械手的运动示意图
如遇到需抓取水平放置的工件时,要在手腕处设有回转运动才可满足工作的需要考虑到机械手的通用性,可以增加手腕模块[6],将手腕设计成回转结构,实现手腕回转的机构选用回转气缸。
为了区分两个升降部分,本文将左边行程较大的升降部分称作立柱,右边行程较小的升降部分称作小臂。
2.3机械手工作过程及工步时间分配
1）确定完成动作及顺序
图2-3换刀机械手布局示意图
要确定换刀机械手的工作过程首先要了解各装备的布局及机械手需要完成的动
作。
换刀机械手的布局示意图如图2-3所示。
图中换刀机械手的初始位置是手部正对盘式刀库,与刀架成90º夹角,水平机构和垂直机构均设在极限位置。
换刀机械手为把刀库上的被选择刀具送到刀架上,需要以下几个动作，如表2-4所示：
表2-4换刀机械手的刀库动作
换刀机械手的刀库动作
作用
水平伸出
机械手水平机构伸出75mm,到达刀库正上方
竖直下降
小臂升降机构下行30mm,使手部夹持机构到达与刀柄水平的位置。
夹紧
手臂机构迅速夹紧刀柄
竖直上升
待刀柄被夹紧后,小臂升降机构上行30mm,将刀具提出刀库
水平收缩
水平机构快速收缩75mm,整个机构回到初始位置
摆动
机械手逆时针摆动90°,使机械手正对刀架
竖直下降,松开
小臂升降机构下行30mm,将刀具放在刀架上,同时手部机构松开工件
竖直上升
小臂升降机构上行30mm,回到起点
摆动
机械手顺时针摆动90°,回到初始位置
上面是我们对机械换刀手动作作用的总结。
整个机构是让我们在对换刀动作完成后将刀架的推爪放到刀架的另一端，这样就能完成了。
2）工步时间分配
工步时间分配对应不同的行程和时间，分配如表2-5所示:
表2-5机械手运动过程与时间分配
工序号
工步名称
行程
预分配时间（s）
（1）
水平伸出
75mm
0.5
（2）
竖直下降
30mm
0.3
（3）
夹紧
0.3
（4）
竖直上升
30mm
0.3
（5）
水平收缩
75mm
0.5
（6）
摆动（逆时针）
90°
1
（7）
竖直下降
30mm
0.3
0.3
松开
（8）
竖直上升
30mm
0.3
（9）
摆动（顺时针）
90°
1
总计
4.5
2.4机械手的基本参数
1）机械手主参数是最大抓重。
我们还在研究阶段，应选用复合现场操作的重量。
2）机械手主要的基本参数是参数运动速度。
参数运动速度是具有跳动的，但是参数运动速度是对能反应各参数的关系。
我们总结机械手各部分的参数如表2-6所示:
表2-6机械手各关节基本参数
水平
机构
伸缩范围
0~75mm
垂直
机构
升降范围
0~30mm
速度
伸出*
500mm/s
速度
上升
150m/s
收缩*
500mm/s
下降
150m/s
定位精度
±1mm
定位精度
±1mm
摆动
机构
摆动角度
0~90°
手
部
抓取范围
<50m
摆动速度
100°/s
定位精度
±5’
2.5模块化设计
时代在发展，传统的工作模式已经满足不了生产的需求。
因此我们要在传统模式的基础上加入全自动化的机械，模块化设计能够能好的为我们的技术做出基础。
模块化设计是为了实现产品的需求，满足日益增长的科技。
模块化研究[7]的理论基础来自于麻省理工学院（MIT）的Suh教授提出的公理化设计理论（AxiomaticDgignTheory,ADT）。
2.5.1模块划分的一般原则
模块划分的一般原则
（1）简化模块防止产生混乱：
（2）节约材料实现多总方案的组合：
（3）保持模块化设计划分的功能：
（4） 防止模块间的不兼容要：
（5）提高模块的材料性能：
（6）模块单元的划分必须考虑经济因素等;
2.5.2模块设计的方法
在模块化设计的时候，我们有很多的方法，这就需要我们选择一个合适的方法。
它能够对我们所需要的产品功能很好地了解，系统就是靠这些功能来完成。
但是在系统中有很多功能它是一个整体，但是又分好多上下和并行关系，这些关系在具有不同的功能，相辅相成，共同为模块化设计的做出基础的贡献如图2-7是不同级别的关系（F0代一级功能,Fl,FZ,F3代表二级功能,Fll,F12,FZI,F22,F23,Fnl,FnZ代表三级功能）。
图2-7功能结构图
2.5.3模块式机械手及组成
模块式机械手是机械手的一部分。
它分为基座、手臂、立柱、手腕、手部这几个主要的部分。
它们在不同的部件执行不同的功能，这些功能我会在第3章进行系统的阐述。
模块化机械手的各模块如图2-8所示。
图2-8气动机械手各模块组成
在实际生产中不同模块具有不同的功能，它们具有一定的相关性的整体性，根据实际需求，我们会对特定环境的模块进行变化。
2.6机械手的总体方案设计
1）机械手的结构设计方案:
根据设计要求，我们要将机构分为立柱、手臂、手腕和手爪几个部分。
2）机械手的驱动方案:
工业机械手的驱动方式可分为三种基本类型，分别是液压驱动，气压驱动和电力驱动气动。
机械手结构设计选取的是气压驱动。
各种驱动方式的基本特点如下:
一、液压驱动
1）液压缸可直接用作机械手关节的一部分,实现直线驱动,结构简单紧凑。
2）速度调节方便易控,可实现平稳的无级调速和换向,容易实现自动化。
3）液压系统可实现自我润滑,过载保护方便,使用寿命长。
但液压驱动需配置液压系统,易产生泄露而影响运动精度。
系统易发热,出现
故障后较难找出原因。
二、气压驱动
1）气源方便,气源系统简单、清洁无污染。
2）压缩空气在管路中流速可达100m/S（液压油流速只有5m/s）,所以动作速度快。
3）与液压相比,气压工作压力低,通常为0.4~0.6MPa。
气动系统体积大,由于空气可压缩,因而运动平稳差,工作时噪声大,位置精度低。
一般用于中小负荷机械手。
三、电力驱动
电力驱动可分为普通交流电动机驱动,交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
普通交、直流电动机驱动需加减速装置,输出力矩大,但控制性能差,惯性大,适用于中型或重型机械手[6]。
2.7电机的选择
启动角度设置为18，则启动角速度18rad/s,启动时间设置为0.1s,取=800mm.设回转零件为一个半径为60mm，长900mm,重30Kg的圆柱形。
则==
，，=2.00
，===68.73
=5r/min
—
—
—
—
由上述可初选110S-CZK01直流宽调速伺服电机。
2.8小结
这一章是对系统的整体设计，在机械手工作中明确各部分的功能，通过自己的知识来进行模块设计。
然后是对机械手的整体方案的总结。
3气动机械手的设计
气动机械手里面的没一个零件都对应每一个气动元件，这样才能更好地行走，执行其所要起的作用，气动的选择至关重要，要有很高的性能要求，如图3-1所示
A-手臂摆动气缸B-升降气缸C-伸缩气缸D-手腕摆动气缸E-气抓
1-基座2-手臂关节3-手腕关节4-导向装置5-定位挡板
图3-1气动机械手结构设计
3.1手部结构设计
手部就是与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当被夹持工件是圆柱刀柄时，使用夹持式手部;当该机械手做其他用途，被夹持工件是板料时，可使用气流负压式吸盘[9]。
手指结构对于不同的物件需要有不同的要求，一般来说要能够灵活变通，并且要有夹紧力，保证安全，其传动也要不同的结构。
经过以上分析夹持式手部结构直接采用SMC的标准回转式气抓[10]，并安装两只手指，它的结构简单，利用外夹的夹持方式。
3.2手臂结构设计
手臂结构设计的要求很重要，因为他是机械手的重要部分，需要轻便，灵活，但是对他的质量要求很严格。
他是手指结构的直接接触部分，有四个自由度，手臂结构设计的名称和作用如下表3-2所示
表3-2手臂结构设计的名称和作用
手臂模块设计名称
作用
小臂升降模块
其作用是将刀具从刀库插孔中提出或插入，
保证气缸按设定的轨迹运行。
手臂伸缩模块二
减小对回转中心的转动惯量
立柱升降模块
立柱安装在与基座连接的转台之上，带动机构的运动。
要求立柱坚固，刚性好。
手臂的回转模块
实现机械手手臂回转运动
手臂机构设置需要要求灵活度大，能够360。
旋转。
我们就需要用到摆动马达，来进行多方位的运动，因为手臂摆动幅度和运动频率比较大，就需要对其进行动力学和运动学进行分析，确保安全，能够承载它所工作需要的特性。
摆动气缸需要选用最新型的，并且按时进行维修，刚度、强度、灵活度需要满足运动的需要。
机械手手臂结构设计的原则：
手臂的功能是在一个指定的载荷和速度下，保证手臂在整个空间中的运动状态，所以在我们设计时，应需要遵循下列原则：
（1）保证每个关节轴相互平行的手臂和垂直臂应该尽可能相交于一点，以确保手臂运动的简化运算。
（2）机械手臂的尺寸和机构运动空间保证在机器人工作空间的要求。
（3）由于机械手的准确性，所以应该在保证机械手刚度和强度的前提下，尽可能减少手臂的重量，因此，设计时使用的材料大多数位轻质材料。
除了基座部分外，在保证要求强度和刚度的条件下对手臂进行结构优化设计，减轻其重量，同时手臂壳体部分也采用较为轻便的复合材料。
（4）我们要减少机械手运动时所造成运动误差，首要的方法就是将整个机械手的关节
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