【正文】 能太低或太高、易受電源電壓、頻率變化的影響 根據(jù)機械手的功能的動作要求，確定利用電機驅(qū)動的直流驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動；利用氣動驅(qū)動實現(xiàn)機械手的上下運動；考慮到本設(shè)計中的機械手工作范圍較小，利用氣動驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；考慮到機械手的手部需結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且重量要輕，機械手的手部也采用氣缸驅(qū)動。 鑒于上面三種驅(qū)動方式，選擇氣動驅(qū)動方式為本設(shè)計的驅(qū)動。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 氣動驅(qū)動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 氣動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 近 20 年來，氣動技術(shù)的應(yīng) 用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化的程度變得更高，控制方式更靈活，性能更可靠。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近 30 年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快，從 20 世紀 80 年化中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達 20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、 PLC 技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可 以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓 控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的 SIN 氣缸。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手 等。 此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動 調(diào)節(jié)病床機械手，外科手術(shù)機械手等。 氣動機械手的發(fā)展前景 目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點，可能預(yù)見，在不久的將來，氣動機械手將越來 越廣泛地進入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 機械手的設(shè)計方案 機械手系統(tǒng)工作原理和組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測裝置所組成。各系統(tǒng) 之間的相互關(guān)系如圖 所示： 圖 系統(tǒng)之間相互關(guān)系 機械手的工作原理：采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定要求，有順序，有運動軌跡的動作；同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出報警信號；位置檢測裝置可 隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的要求達到設(shè)定位置。 機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 包括手部、手腕、手臂、立柱和機座等部件。 （ 1）手部： 即與工件接觸的部件。由于與工件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式。手部結(jié)構(gòu)取決于被抓取工件的表面形狀、被抓部位和物件的重量以及尺寸。本設(shè)計考慮到以上因素，工件屬于輕、狀零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力吸附物件的。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 （ 2）手腕： 手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物 件的方位。 （ 3）手臂： 手臂的作用是帶動手部去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。 （ 4）立柱： 立柱是支承手臂的部件，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。 （ 5）機座： 機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均裝在機座上，故它起支撐和連接的作用。 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的。常用驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動和機械傳動。 控制系統(tǒng)是支配著機械手按規(guī)定的動作要求進行運動的系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，必要時可對機械手的 動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 它可將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置相比較，通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。本課題采用氣動位置傳感器，它可以將位移的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓俎D(zhuǎn)變?yōu)殡娏康淖兓? 機械手坐標形式的選擇 按機械手手臂的不同運動形式，其坐標形式可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型及關(guān)節(jié)坐標型。如圖 所示： （ a） （ b） 直角坐標系 圓柱坐標系 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 （ c） （ d） 球型坐標系 關(guān)節(jié)式坐標系 圖 坐標形式 由于本次設(shè)計的機械手是通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手部空間位置的改變，因此，采用圓柱坐標形式。 機械手的技術(shù)參數(shù) ： 1kg ：長 錯誤 !未找到引用源。 *寬 *高 =50*50*25（ mm） ：圓柱坐標 ： 180176。 ：伸縮行程： 100mm 伸縮速度： 100mm/s 升降行程： 60mm 升降速度： 100mm/s ： 錯誤 !未找到引用源。 機械手的系統(tǒng)設(shè)計 自由度是指機械手所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。本設(shè)計的機械手具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)和前后伸縮三個自由度。 工作范圍是指手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合。 該機械手的工作范圍如圖 所示： 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 機械手工作范圍 本設(shè)計采用圓柱坐標形式的方案，運動形式為一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)。 機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 氣缸 的選用 一般用作實驗的工件不會太重，塑料制品工件和鋁制工件即可。 根據(jù)氣缸的負載狀態(tài)，鋁制工件的質(zhì)量： 錯誤 !未找到引用源。 m1= 塑料工件的質(zhì)量： 錯誤 !未找到引用源。 鋁制工件的重力為： G=錯誤 !未找到引用源。 m1g=179。= 錯誤 !未找到引用源。 可確定氣缸的軸向負載力 F錯誤 !未找到引用源。 。 根據(jù)負載的運動狀態(tài)，參考表 ，預(yù)選氣缸的負載率η =。 表 負載的運動狀態(tài) 負載率η 靜載荷（如夾緊） ≤ 70% 動 載 荷 氣缸速度50mm500mm/s ≤ 50% 氣缸速 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 度 500mm/s ≤ 30% 根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力 p。 p 應(yīng)小于減壓閥進口壓力的 85%。本課題設(shè)計的氣缸為單作用氣缸，工作壓力 p=。 由以上分析得單作用氣缸的直徑： D=ηPF?4= 6 ???? ?=（ mm） 查 SMC 現(xiàn)代實用氣動技術(shù)標準，得 D=4mm 根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機構(gòu)的行程比來預(yù)選氣缸的行程，應(yīng)盡量選為標準行程，可保證供貨迅速，成本降低。本設(shè)計氣缸行程選為 L=30mm。 查 SMC 手冊表，為了滿足安裝空間小，氣缸小巧，選驅(qū)動方式為彈簧壓回型的CJ1 系列，如表 。本設(shè)計選用氣缸的型號為： CJ1B430 型單作用彈簧壓回型氣缸。 氣缸內(nèi)徑為 4mm,使用壓力為 ，可知氣缸所能提供的拉力為： Fq=P179。 A=P179。 42D 179?！?=179。 106179。 106179。 2 179。∏ = 可知 ,所以可以認為氣缸的選用是合適的。 表 缸徑 4 使用介質(zhì) 空氣 最高使用壓力 最低使用壓力 活塞速度 50500mm/s 行程公差 真空吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了抓取工件，采用真空吸盤結(jié)構(gòu)，如圖 所示，首先真空吸盤組建在氣缸的推動下下移，當吸盤 4 碰到工件時彈簧 3 壓縮，整個導(dǎo)向桿 1在防轉(zhuǎn)螺釘 2 的作用下直線移動保證工件不會壓壞，然后吸盤吸住工件。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 真空吸盤結(jié)構(gòu) 真空吸盤的選取 吸盤是直接吸附物體 的元件。吸盤通常是由橡膠材料與金屬骨架壓制成型的。吸盤的橡膠出現(xiàn)脆裂，是橡膠老化的表現(xiàn)。通過查找相關(guān)真空吸盤的資料，本設(shè)計的工件質(zhì)量輕，因此，選取吸盤的形式為風(fēng)琴型吸盤，吸盤直徑為φ 10，材料為硅橡膠。 手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 與設(shè)計的手部結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境方面選 LLDPE 樹脂（線型低密度聚乙烯 ），它 具有優(yōu)異的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能和電絕緣性，較高的耐熱性能，抗沖和耐穿刺性能等。 LLDPE 樹脂 的密度： !未找到引用源。 。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 鋁合金 ZL101 的密度： 錯誤 !未找到引用源。 ； 45 鋼的密度： 錯誤 !未找到引用源。 。 通過 SolidWorks 2021 的質(zhì)量屬性工具計算得到手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為： M 手 =M 樹 +M 鋁 +M 鋼 =++= 機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計