【正文】 如圖 所示，定片 1與缸體 2固連，動片 3與回轉軸 5固連。動片封圈 4把氣腔分隔成兩個 。 當壓縮氣體從孔 a進入時 ， 推動輸出軸作逆時 4回轉，則低壓腔的氣從 b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉氣缸的壓力 P驅動力矩 M的關系為 ： 22()2pb R rM ?? 或222()Mp b R r? ? 式中： M— 回轉氣缸的驅動力矩 P— 回轉氣缸的工作壓力 R— 缸體內壁半徑 r— 輸出軸半徑 b— 動片寬度 圖 上述驅動力矩和壓力的關系式 是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的 P應代以工作壓力 P1與背壓 P2之差。 手腕回轉缸的尺寸及其校核 1）尺寸設計 回轉缸型號 初 選為 QGB1100， 氣缸 直 徑為 D1=100mm， 中心軸直徑 d1=26mm， 氣 缸長度設計為 b=100mm， 葉片數(shù)目為 1，擺動角度 180176。177。 3176。， 當工作壓力為 1 MPa時輸出力矩為 62 Nmm， 氣缸運行角速度 ω=45176。/ s， 加速度時間 Δt =, 壓強 P=， 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 4 手腕結構設計 16 則力矩 22()2pb R rM ?? 6 2 20 . 4 1 0 0 . 1 ( 0 . 0 5 0 . 0 1 3 )2? ? ?? =(Nm) 2）尺寸校核 （ 1)測定參與手腕轉動的部件的質量 m1=10kg， 分析部件的質量分布情況， 質量密度等效分布在一個半徑 r=50mm 的圓盤上，那么轉動慣量 ： 212mrJ? 210 ?? =(kgm2) 工件的質量為 5kg， 質量分布于長 l=100mm的棒料上，那么轉動慣量 212c mlJ ? 25 ?? =(kgm2) 假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長 l=100mm的棒料來說，最大偏心距 e1=50mm，其轉動慣量為 ： 211cJ J m e?? 5 ? ? ? =(kgm2) M偏1()JJt???? 45( 0 .0 1 2 5 0 .0 1 6 7 ) 0 .1?? =(Nm) （ 2） 手腕轉動件和工件的偏重對 轉動軸線所產生的偏重力矩為 M偏 ，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合， e1=0，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線 e3=50mm， 則 M偏 = G1 e 1+ G3 e 3 =10 10 0+5 10 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 4 手腕結構設計 17 =（ Nm） （ 3） 手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M摩 ， 對于滾動軸承 f =，對于滑動軸承 f =， d1， d2為手腕轉動軸的軸頸直徑 ， d1=30mm， d2=20mm， RA， RB為軸頸 處的支承反力，粗略估計 RA=300N， RB=150N, M摩21()2 ABf R d R d?? 0 . 0 1 ( 3 0 0 0 . 0 2 1 5 0 0 . 0 3 )2? ? ? ? =（ Nm） （ 4）回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封 ，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計 M封 為 M摩 的 3倍 ， M封 =3M摩 =30. 05 = （ Nm） ∴ M驅 = M慣 +M偏 +M摩 +M封 =+++ =（ Nm） M驅 ＜ M ∴ 設計尺寸符合使用要求，安全 。重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 5 手臂設計及計算 18 5 手臂設計及計算 手臂部件是機械手的主要握 持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 2 個運動：伸縮 與 升降。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 手臂的設計要求 1） 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 。 （ 1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 ； （ 2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離 ； （ 3） 合理布置作用力的位置和方向 ； （ 4） 注意簡化結構 ； （ 5） 提高配合精度。 2） 臂部運動速度要高，慣性要小 。 在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4個途徑： （ 1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料 ； （ 2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸 ； （ 3） 減少回轉半徑 ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作 ； （ 4） 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。 3） 臂部應滿足工作要求 。 （ 1）伸縮范圍 500mm，最大速度 200mm/s； （ 2）升降行程 40mm。 手臂的結構設計 根據(jù)設計要求，本課題所設計的工業(yè)機械手手臂采用一個直線氣缸實現(xiàn)手臂的伸縮，采用直線氣缸實現(xiàn)手臂的升降 。 氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導 向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 5 手臂設計及計算 19 手臂在升降過程中，為了減少慣量，在直線氣缸上裝有雙向緩沖裝置。其結構圖如圖 所示。 K1K 向2 1導向裝置 2定位裝置 圖 手臂結構圖 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 查看氣缸標準系列表， 尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣缸用 QGAⅡ 型氣缸 ，尺寸系列初選內徑為 φ 50，壓力為 時輸出力為 78N，行程范圍 0～ 500mm，選行程 l=500mm，該氣缸各項參 數(shù)都符合設計要求。 尺寸校核 1） 在校核尺寸時 ， 只需校核氣缸內徑 為 50mm， 半徑 R=25mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可 ， 設計使用壓強 ? MPa， 則驅動力： 2F P R??? = 620. 4 10 3. 14 0. 02 5? ? ? =785N 測定手腕質量為 10kg， 設計加速度 10a? （ m/s2）， 則慣性力 1F ma? =10? 10 =100（ N） 2)考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù) k= 1mF k F?? =? 100 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 5 手臂設計及計算 20 =20(N) ∴ 總受力 01mF F F?? =100+20 =120（ N） 0FF? 所以標準 QGAⅡ 氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計 氣缸初選 QGA型氣缸， 氣缸 行程 為 40mm，氣缸內徑 選 為 D=100mm， 半徑 R=50mm，壓強 P=，則驅動力 20G p R??? = 620. 4 10 3. 14 0. 05? ? ? =3140(N) 尺寸校核 1）測定手腕的質量為 20kg，則重力 G=mg =20? 10 =200（ N） 2）設加速度 a=5m/s2， 則慣性力 1G ma? =20? 5 =100(N) 3）考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù) k=，則 1mG k G?? =? 100 =10（ N） ∴ 總受力 1pmG G G G? ? ? =200+100+10 =310（ N） 0pGG? 所以設計尺寸符合實際使用要求。重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 6 機座設計計算 21 6 機 座 設計計算 機座結構設計 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用 。在基座上安裝齒輪齒條旋轉機構，使手臂達到 0176。～ 180176。的旋轉。其結構如圖 。 1 2 1齒條 2齒輪 圖 手臂雙氣缸齒輪齒條機構的尺寸設計與校核 尺寸設計 初步選取 兩氣缸 型號 為 QGA，內徑設為 50mm，半徑 R=25mm，查氣缸技術規(guī)格表，氣缸行程 l1≤ 300mm， 齒輪直徑初步選用 D=100mm， 齒輪軸旋轉 0～ 180176。， 則氣缸運動的行程為 l=πD/2=157mm， 氣缸行程符合要求。 手臂運行角速度 ? =90176。/s，加速度響應時間 Δt=， 壓強 P=。 則驅動力 20 2G p R??? 622 0. 4 10 3. 14 0. 02 5? ? ? ? ? =3140（ N） 驅動力矩0 2DMG?? =3140? =157(Nm) 尺寸校核 測定參與手臂轉動的部件的質量 m1=40kg，通過分析各部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑 r=125mm的圓盤上，那么轉動慣量： 212mrJ? 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 6 機座設計計算 22 = 240 ? =（ 2kgm? ） M慣 =J t??? = ? =(Nm) 考慮軸承、油封之間的摩擦力，設定一定的 摩擦系數(shù) k=， M摩 =kM慣 =? =(Nm) 總力矩 M驅 =M慣 +M磨 =+ =67(Nm) M驅 ＜ M 即設計尺寸滿足要求。重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 7 控制回路設計 23 7 控制回路設計 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖 所示為該機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是有空氣壓縮機通過快換接頭進入儲氣罐，經過分水過濾器、調 壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部的動作。 1 D T61 91 82 0EDCBA1 21 11 09 D T1 0 D T 9 D T1 01 21 11 391 0 D T 8 D T 7 D T 6 D T1 2 3452 D T3 D T74 D T5 D T81 51 4 1 6 1 7 圖 在圖 中， A 缸為齒輪齒條回轉結構， B 缸為立柱升降缸， C 缸為伸縮缸， D 缸為手腕回轉缸， E 缸為夾緊缸。 1DT， 2DT； 3DT， 4DT； 5DT， 6DT； 7DT， 8DT， 9DT,10DT分別表示各氣缸的電磁閥的兩個線圈。 根據(jù)計算出了空氣壓縮機的壓力和流量，可以進行對各個閥進行選擇。見下表所示。 表 氣路元件表 序號 型號規(guī)格 名稱 數(shù)量 1 QF44 手動截止閥 1 2 儲氣罐 1 3 QL1(P22402) 分水濾氣器 1 4 QTYaL10(P22396) 減壓閥 1 5 QY1(P22406) 油霧器 1 6 XQ251041AC 二位五通電磁換向閥 1 7 XQ250441AC 二位五通電磁換向閥 1