機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)-注塑機(jī)取件機(jī)械手的設(shè)計(jì)-三自由度氣

1、目 錄摘 要1關(guān)鍵詞11 前言2 1.1 機(jī)器人概述2 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀3 1.3 機(jī)器人開展趨勢42 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案4 2.1 機(jī)械手根本形式的選擇4 2.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人4 2.1.2 極坐標(biāo)型機(jī)器人52.1.3 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人5 2.1.4 多關(guān)節(jié)機(jī)器人5 2.2 驅(qū)動裝置的選擇6 2.2.1 液壓驅(qū)動6 2.2.2 氣壓驅(qū)動7 2.2.3 電動機(jī)驅(qū)動73 引拔設(shè)計(jì)8 3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)8 3.2 方案設(shè)計(jì)8 3.3 引拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8 3.3.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算8 3.3.2 附加導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)94 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)10 4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)10 4.2 方案設(shè)計(jì)10 4.

2、3 機(jī)械臂氣缸的選用10 4.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑10 4.3.2 預(yù)選氣缸行程11 4.3.3 驗(yàn)算緩沖能力11 4.3.4 活塞桿長度的驗(yàn)算11 4.3.5 計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量12 4.3.6 選擇活塞桿端部接頭12 4.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式125 橫行的設(shè)計(jì)12 5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)12 5.2 方案設(shè)計(jì)12 5.3 橫進(jìn)氣缸的選用13 5.4 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)146 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14 6.1 夾持器設(shè)計(jì)的根本要求14 6.2 夾緊裝置設(shè)計(jì).15 6.2.1 夾緊力計(jì)算15 6.2.2 驅(qū)動力力計(jì)算15 6.2.3 氣缸驅(qū)動力計(jì)算16 6.2.4 選用夾持器氣缸16 6.2.5 手

3、爪的夾持誤差及分析16 6.2.6 楔塊等尺寸確實(shí)定19 6.2.7 材料及連接件選擇217 氣動順序動作確實(shí)定228 結(jié)論22參考文獻(xiàn)22致謝23 TOC o 1-3 h z u 注塑機(jī)取件機(jī)械手的設(shè)計(jì)學(xué) 生：劉 超指導(dǎo)老師：陳文凱(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長沙 410128)摘 要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承當(dāng)著焊接、噴涂、搬運(yùn)、取件以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作

4、，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺三自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給注塑機(jī)取出成品。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；氣缸；注塑機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Design of Manipulator for InjectionStudent:Liu ChaoTutor:Chen Wenkai(Orient Science &Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract : In order to enhance the efficiency of production and guarantee

5、the quality of products,more attention has been paid to the automation in the process of production in the modern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are gradually appproved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some exte

6、nt,the technical level and application of industrial robots have reflected on the automation level in national industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedly with high work strength.In

7、 the thesis,an industrial robot with three DOFS will be designed to remove the finished molding machine.Key words: android;cylinder;injection machine;structural design1 前言11.1 機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已根本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效方法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品

8、種小批量生產(chǎn)自動化的重要方法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的根底?！肮I(yè)機(jī)器人Industrial Robot：多數(shù)是指程序可變編的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人。機(jī)器人是一種具有人體上肢的局部功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要

9、求以操縱工件進(jìn)行加工。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的根本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等局部組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三局部組成，如圖1所示。圖1 機(jī)器人的一般組成Fig.1 The general composition of the robot1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制

10、系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人開展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大局部還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式那么為開環(huán)式，沒有識別能力；改良的方向主要是降低本錢和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反應(yīng)，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)器人機(jī)器人那么能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步開展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔

11、性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活潑，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機(jī)器人的開展及應(yīng)用問題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)開展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)廣義的、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，開展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下

12、料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反應(yīng)能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速開展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造CIM要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專

13、用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難或不可能集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本方法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開展比擬慢。目前我國已開始有方案地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的開展。1.3 機(jī)器人開展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，

14、尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個開展趨勢： a)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識

15、別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。2 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 2.1 機(jī)械手根本形式的選擇2常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2所示：1直角坐標(biāo)型機(jī)械手；2圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；3極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。2.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它在x,y,z軸上的運(yùn)動是獨(dú)立的，3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是： (1)在三個直線方向上移動，運(yùn)動容易想象。 (2)計(jì)算比擬方便。 (3)由于可以兩端支撐，對

16、于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4)要求保存較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件外表的密封較困難，容易被污染。2.1.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、和x為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)容易想象和計(jì)算。(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。(3)空間定位比擬直觀。(4)直線驅(qū)動局部難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以到達(dá)的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。2.1.3 極坐標(biāo)型機(jī)器人 極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，R，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞

17、手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機(jī)器人運(yùn)動所形成的軌跡外表是半球面。其特點(diǎn)是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。 (5)直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。2.1.4 多關(guān)節(jié)機(jī)器人 多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它是以其各相鄰運(yùn)動部件之間的相對角位移作為坐標(biāo)系的。、和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以到達(dá)球形體積內(nèi)絕大局部位置，所能到達(dá)區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點(diǎn)是：

18、(1)動作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機(jī)驅(qū)動。(5)運(yùn)動難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動。 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型 多關(guān)節(jié)型 圖2 工業(yè)機(jī)械手根本結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The basic structure of industrial manipulator本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型.2.2 驅(qū)動裝置的選擇2機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進(jìn)行分析比擬。2.2.1 液壓驅(qū)動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：(1)液壓容易到達(dá)較高的壓力常用液壓

19、為2.56.3MPa，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；(2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；(3)液壓傳動中，力、速度和方向比擬容易實(shí)現(xiàn)自動控制；(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。液壓傳動系統(tǒng)的缺乏之處是：(1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險；(2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高；(3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否那么引起故障。液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動。2.2.

20、2 氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)是：(1)壓縮空氣粘度小，容易到達(dá)高速；(2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設(shè)備；(3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用平安，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；(4)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。它的缺乏之處是：(1)壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，假設(shè)要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；(2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要到達(dá)準(zhǔn)確的位置控制很困難；(3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。氣動式驅(qū)動多用于點(diǎn)位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人。2

21、.2.3 電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動可分為普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。 普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動機(jī)和步進(jìn)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)那么主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。由于氣壓驅(qū)動氣源容易獲得，無污染，,故本設(shè)計(jì)確定選用氣壓驅(qū)動。3 引拔設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1伸縮長度：160mm；2單方向伸縮時間：12S；3定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；4前端安裝機(jī)

22、械臂連接塊，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；3.2 方案設(shè)計(jì)氣動驅(qū)動方案伸縮原理采用單出桿雙作用氣動油缸，手臂縱向移動時采用單向調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時，發(fā)出信號，進(jìn)行調(diào)速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用附加導(dǎo)向桿防止轉(zhuǎn)動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。1、引拔 2、小型導(dǎo)向氣缸 3、機(jī)械臂連接塊 4、附加導(dǎo)向桿圖3 引拔示意圖Fig.3 Schematic drawing cited3.3 引拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算3.3.1.1 預(yù)選氣缸的缸徑及缸桶壁厚：根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。取=0.2 F=*300=60N 3-1【6】根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài)，預(yù)選氣缸的負(fù)載率

23、。取=50%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(jìn)口壓力的85%。F,和p，對雙作用氣缸，預(yù)選桿徑與缸徑之比d/D=0.30.4，由式3-2至式3-4，便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化. 3-2【6】 3-3【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考慮到氣缸的行程比擬長缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計(jì)算公式計(jì)算： (3-4) 【6】式中D為缸筒內(nèi)徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應(yīng)力MPa。缸筒壁厚的實(shí)際取值，對于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺寸，這里b取10mm。3.3.1.2 預(yù)選氣缸行程：根據(jù)氣缸的操作距離及傳動

24、機(jī)構(gòu)的行程比預(yù)選氣缸行程為160mm。3.3.1.3 驗(yàn)算緩沖能力：根據(jù)氣缸的運(yùn)動狀態(tài)是輸出拉力、負(fù)載率=50%、氣缸的行程L=160mm和氣缸的動作時間t=1.5s,由?氣動手冊?P293圖9-7可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=700.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準(zhǔn)速度之比a值為0.9，從而求的氣缸的最大速度=630。查得氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示負(fù)載運(yùn)動的動能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿足要求。3.3.1.4 活塞桿長度的驗(yàn)算：查?氣動手冊?CG1系列氣缸活塞桿受軸向壓力而不失去穩(wěn)定性的最大行程為290mm大于要求行

25、程160mm，故滿足要求。3.3.1.5 計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量該氣缸的空氣消費(fèi)量為3.3.1.6 選擇氣缸的品種和安裝形式：長沙華德液壓氣動生產(chǎn)的QGCXDHQ系列小型導(dǎo)向桿式氣缸QGCXDH20-200能滿足要求。3.3.1.7 選擇磁性開關(guān)：根據(jù)表10-15可查的磁性開關(guān)的品種及安裝方式為采用鋼帶固定的有觸點(diǎn)舌簧型D-C73L，采用直接出線式的接線方式，導(dǎo)線長為3m。3.3.1.8 選擇活塞桿端部聯(lián)結(jié)形式：采用螺釘連接。3.3.2 附加導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.2.1 附加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用：附加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是保證氣缸缸活塞桿伸出時機(jī)械臂連接塊的方向性，提供機(jī)構(gòu)剛度，保證伸縮量的準(zhǔn)確性。3.3.

26、2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外形尺寸及材料：導(dǎo)向選擇鋼管導(dǎo)向，鋼管為引拔上的一局部，經(jīng)配合連接而成；機(jī)械臂連接塊那么在其上滑動且其的引拔端部靠近局部。材料選擇為45號鋼.，如圖4所示：1、導(dǎo)向鋼管 2、端部頂板 3、螺母圖4 附加導(dǎo)向桿Fig.4 additional guide bar3.3.2.3 引拔范圍控制與調(diào)整：引拔伸縮范圍控制靠行程開關(guān)，保證把工件精確地取出。行程開關(guān)使用LXW4-11型微型開關(guān)。圖5 LXW4-11型微型開關(guān)Fig.5 LXW4-11-type micro-switch4 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1伸縮長度：550mm；2單方向伸縮時間：2.53.5S；3前端安裝機(jī)械手

27、，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；4.2 方案設(shè)計(jì)氣動驅(qū)動方案伸縮原理：采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速，接近終點(diǎn)時，發(fā)出信號，進(jìn)行調(diào)速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用電磁換向閥，控制伸縮方向。4.3 機(jī)械臂氣缸的選用4.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑3根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。 取=0.8 F=*100=80N 4-1【6】根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài)，預(yù)選氣缸的負(fù)載率。 取=50%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(jìn)口壓力的85%。F,和p，對雙作用氣缸，預(yù)選桿徑與缸徑之比d/D=0.30.4，由式4-2至式4-4，便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化. (

28、4-2) 【6】 4-3【6】 (4-4) 【6】解得D17.75 考慮到氣缸的行程比擬長缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計(jì)算公式計(jì)算： (4-5) 【6】式中D為缸筒內(nèi)徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應(yīng)力MPa。缸筒壁厚的實(shí)際取值，對于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺寸，這里b取10mm。4.3.2 預(yù)選氣缸行程根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機(jī)構(gòu)的行程比預(yù)選氣缸行程為550mm。4.3.3 驗(yàn)算緩沖能力根據(jù)氣缸的運(yùn)動狀態(tài)是輸出拉力、負(fù)載率=50%、氣缸的行程L=550mm和氣缸的動作時間t=2s, 由?氣動手冊?P293圖9-7，可查得氣缸的理論基準(zhǔn)

29、速度=500.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準(zhǔn)速度之比a值為0.95，從而求的氣缸的最大速度=475。查的氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示負(fù)載運(yùn)動的動能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿足要求。4.3.4 活塞桿長度的驗(yàn)算查?氣動手冊?關(guān)于CG1-氣缸活塞桿受軸向壓力而不是去穩(wěn)定性的最大行程為600mm大于要求行程550mm，故滿足要求。4.3.5 計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量該氣缸的空氣消費(fèi)量為4.3.6 選擇活塞桿端部接頭選擇活塞桿的端部接頭，因需要防止工件與活塞桿的軸向偏心而得出采用法蘭型。4.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式CM

30、系列小型可緩沖氣缸CM40-600F1-SK2 .安裝形式為前端法蘭式圖6 CM40-600F1-SK2氣缸Fig.6 CM40-600F1-SK2 cylinder5 橫行的設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)1橫行長度：1000mm；2單方向伸縮時間：3.54.5S；3定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；4缸體與引拔連接推動引拔左右移動，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；5.2 方案設(shè)計(jì)氣動驅(qū)動方案伸縮原理：因?yàn)闄M行長度到達(dá)了1000mm，故考慮采用采用無桿氣缸驅(qū)動。無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。這種氣缸最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省安裝空間，特別適用于小缸徑長行程的場合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：基體局部做成

31、肋板形式與基座相連，減少橫行局部的總體質(zhì)量，橫行面上采用導(dǎo)軌形式，進(jìn)行橫向定位并承受機(jī)械手重量，采用三位五通電磁換向閥，控制橫進(jìn)方向。如圖71、無桿氣缸 2、導(dǎo)軌 3、基座圖7 橫行基座Fig. 7 transverse base5.3 橫進(jìn)氣缸的選用本次橫進(jìn)氣缸預(yù)選AMR系列的磁耦式無桿氣缸根據(jù)導(dǎo)向精度、最大允許負(fù)載和最大允許力矩選用無桿氣缸的系列和缸徑。最大允許負(fù)載和最大允許力矩與導(dǎo)向型式、受力姿勢、活塞運(yùn)動和缸徑有關(guān)。由于考慮氣缸不能承受大的集中載荷，故在氣缸兩側(cè)設(shè)立2個導(dǎo)軌代替氣缸承受機(jī)械臂的質(zhì)量，故氣缸的承受載荷不予慮。因?yàn)闄M進(jìn)系統(tǒng)的額定最大行程為1000mm，根據(jù)AMR系列的行程如

32、表1由于氣缸的推力F等于導(dǎo)軌與重物的摩擦力，重物的質(zhì)量約為1600N，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)0.002-0.003,所以預(yù)選氣缸缸徑為，因?yàn)闅飧椎墓ぷ鲏毫?.49MPa由圖9查的本氣缸的理論輸出力為220N，滿足系統(tǒng)要求。表1 ANR系列行程圖Tab.1 ANR Series itinerary mapAMRBAMRG101050500mm50500mm161650500mm50700mm20201001500mm1001500mm25251001500mm1001500mm32321002000mm1001500mm40401002000mm1001500mm圖8 理論輸出力圖Fig.8 Theo

33、ry of output sought確定該行程的氣缸為AMR25-1000。5.4 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)鋼:一般用尋軌：45鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等外表淬火或全淬；要求高的導(dǎo)軌，常采用20Ce、20CrMnTi、15鋼等，滲碳淬硬到5662HRC，磨削加工后淬硬深度不低于1.5mm;兩條導(dǎo)軌一條采用矩形截面一條采用三角形截面，在橫向定位的同時也降低安裝精度。6 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 夾持器設(shè)計(jì)的根本要求1應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；2手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；3應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；4要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；5應(yīng)考慮通用性和特殊要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求1

34、采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊放松；2所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；3工件的材質(zhì)為2kg；4夾持器有足夠的夾持力；5夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動力。6.2 夾緊裝置設(shè)計(jì).6.2.1 夾緊力計(jì)算手指夾在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷慣性力或慣性力矩以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按以下公式計(jì)算： 6-1【4】式中：平安系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考

35、慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對值m/s；方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算, G被抓取工件的重量求得夾緊力，取整為120N。6.2.2 驅(qū)動力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： 6-2【4】 式中：c滾子至銷軸之間的距離；b爪至銷軸之間的距離；楔塊的傾斜角可得，得出F為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的氣缸驅(qū)動力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.80.9，此處取0.88，那么

36、： ，取6.2.3 氣缸驅(qū)動力計(jì)算設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力： 6-3【4】式中 活塞直徑 活塞桿直徑 驅(qū)動壓力，,工作壓力P=MPa 據(jù)公式計(jì)算可得氣缸內(nèi)徑：根據(jù)氣動設(shè)計(jì)手冊，圓整后取D=16mm?；钊谐?，當(dāng)抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取氣缸行程S=40mm。6.2.4 選用夾持器氣缸2長沙華德液壓氣動所生產(chǎn)的QCG薄型氣缸QGD16-40剛好滿足條件，所以選取這個氣缸。表2 QCG薄型氣缸安裝尺寸圖Tab.2 QCG thin cylinder Installation size ma

37、p缸徑行程165mm1610mm1615mm1620mm1630mm1640mm6.2.5 手爪的夾持誤差及分析4機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度由臂部和腕部等運(yùn)動部件確定，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，防止產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖9，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。R1,R2-工件半徑 C1C2=圖9 夾持誤差圖Fig.9 Figure clampi

38、ng error工件直徑為80mm，尺寸偏差，那么，。本設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖10圖10 楔塊杠桿式夾持器Fig.10 Gripper wedge leveraged假設(shè)把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：簡化為： 該方程為雙曲線方程，如圖11：圖11 工件半徑與夾持誤差關(guān)系曲線Fig.11 Radius of workpiece clamping error curve由上圖得，當(dāng)工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出：，通常取,假設(shè)工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。在設(shè)計(jì)中，希望按給定的

39、和來確定手爪各局部尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取適宜的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最正確偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最正確偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪尤其當(dāng)a值較大時，偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為防止上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即下式：其中,型鉗的夾角代入得出： 那么 那么，此時定位誤差為和中的最大值。分別代入得：，所以，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。由以上各值可得：取值為

40、。6.2.6 楔塊等尺寸確實(shí)定楔塊進(jìn)入杠桿手指時的力分析如下：圖12 楔塊進(jìn)入手爪受力圖Fig.12 by trying to wedge into the gripper上圖12中斜楔角，時有增力作用；滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角，為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，為轉(zhuǎn)軸直徑，為滾子外徑，為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù); 支點(diǎn)至斜面垂線與杠桿的夾角；杠桿驅(qū)動端桿長；杠桿夾緊端桿長；杠桿傳動機(jī)械效率6.2.6.1 斜楔的傳動效率:斜楔的傳動效率可由下式表示： 杠桿傳動機(jī)械效率取0.834，取0.1，取0.5，那么可得=, ，取整得=。6.2.6.2 動作范圍分析陰影局部杠桿手指的動作范圍，即，見圖 13圖13 動作

41、范圍分析圖Fig. 13 Range of motion analysis diagram如果，那么楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當(dāng)時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干預(yù)，即為手指動作的理論極限位置。6.2.6.3 斜楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍:當(dāng)斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程為L，此時對應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動行程可用下式表示：杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為： 通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，那么由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設(shè)定為30mm.即。，

42、可得，有圖14關(guān)系：圖14 楔塊尺寸示意圖Fig.14 Schematic diagram of wedge size可知：楔塊下邊為60mm，支點(diǎn)O距中心線30mm，且有，解得：6.2.6.4 與確實(shí)定:斜楔傳動比可由下式表示：可知一定時，愈大，愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角在范圍內(nèi)增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，那么由分配距離為：，。6.2.6.5 確定:由前式得：，取。6.2.6.6 確定:為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有圖15中關(guān)系圖15 L對中心線的驅(qū)動方程的示意圖Fig.15 L of the center line diagram of the drivin

43、g equation，取，那么楔塊上邊長為18.686，取19mm.6.2.7 材料及連接件選擇V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個。杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個。滾子與手指連接選用圓柱銷，d=4mm, 需使用2個。以上材料均為鋼，無淬火和外表處理銷兩端均打直徑1.2mm的圓孔，用GB/T91 1.2X8的開口銷連接。楔塊與活塞桿鉸鏈聯(lián)結(jié)。7 氣動順序動作確實(shí)定考慮到注塑機(jī)抓取的效率問題，引拔氣缸一般不會經(jīng)常用到，故將其單獨(dú)設(shè)立一回路，分開控制。所以注塑機(jī)機(jī)械手抓取過程主要由手臂升降缸A缸、手爪開閉缸B缸和橫向移動氣缸C缸所完成。在初始狀態(tài)，手臂在左端；B缸縮回，手爪開