数控车床上下料机械手设计毕业设计.doc

四川理工学院毕业设计 数控车床上下料机械手设计学 生：喻 攀学 号：09011030127专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机械设计2009.1指导教师：符纯华 四川理工学院机械工程学院二O一三年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 数控车床上下料机械手设计 学院：机械工程学院 专业：机械设计 班级：2009.1学号： 09011030127 学生： 喻攀 指导教师： 符纯华 接受任务时间 2013.03.04 系主任 （签名）院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求主要内容： 气动元件完成机械手上下料要求； 三个自由度，z轴移动200mm，x轴移动1000，绕y轴转动90度 工件质量小于5kg基本要求： 机械手装配图一份； 零件图两份； 毕业设计说明书一份；2指定查阅的主要参考文献及说明工业机械手设计气缸的工作原理3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅、收集资料，完成开题报告2013.03.04-2013.03.182完成所有设计的结构设计和计算任务2013.03.19-2013.04.063完成所有毕业设计的图纸2013.04.07-2013.05.254修改、完成毕业设计说明书的编写，并提交2013.05.26-2013.06.015毕业答辩准备和毕业答辩2013.06.02-2013.06.11摘要本次设计主要针对数控车床加工转子的机械手的上下料过程，分析工件由生产线到工作台的运动过程。主要采用气动元件，用气爪，摆动气缸等实现机械手的抓取和翻转功能，用伺服电机和滚珠丝杆实现机械手横移，以实现运动的方案。通过本次设计，对机械手用于数控车床的设计步骤和方法有系统认识，能够根据其动作设计出经济适用的机械手，并且对气缸的结构和工作原理全面的掌握。关键词：数控车床；机械手；气动元件；伺服电机ABSTRACTThis design mainly aims at the manipulator of the CNC lathe processing rotor of loading process, and analysis the motion process of workpiece by the production line to the workbench. Mainly adopts pneumatic components, gas, manipulator grasping and flip functions such as oscillating cylinder, servo motor and ball screw is used to implement manipulator transverse shift, in order to realize the movement of the scheme. Through the design of manipulator used in CNC lathe design steps and methods of systematic knowledge, according to its design manipulator that economy is applicable, and the cylinder of the structure and working principle of the comprehensive control.Keywords: Numerical control lathe；manipulator；Pneumatic components；Servo motor目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1机械手简介11.2机械手的组成21.3机械手的分类31.4机械手在数控车床上的运用41.5机械手在国内外发展现状51.6机械手的技术发展方向51.7课题的来源及研究意义6第二章 机械手设计方案72.1机械手方案设计原则72.1.1机械手机构设计原则72.1.2.机械手部件选材原则72.2机械手上下料系统要求82.3机械手动作要求82.4传动件和执行元件的方案设计9第三章 各部分详细设计113.1气压传动简介113.2气缸的基本组成和原理123.3气缸的选择原则方法133.4气爪的设计143.4.1气爪的介绍143.4.2气缸的选型143.5旋转装置的设计163.5.1传动件的选择163.5.2齿轮齿条式气缸的设计183.6连接座的设计223.6.1连接座整体设计223.6.2气爪和连接座螺钉的简单校核233.7上下移动装置的设计243.7.1上下移动装置的选择243.7.2双轴气缸的计算253.8水平移动装置的设计263.8.1移动装置的选择263.8.2滚珠丝杆的选择273.8.3伺服电机的选型283.8.4联轴器的选择293.8.5导轨的设计30第四章：公差配合的选取314.1配合的简介314.2各部件配合的选取314.2.1气爪公差配合的选取314.2.2连接座公差配合的选取324.2.3旋转装置公差配合的选取324.2.4双轴气缸的公差配合选取334.2.5 联轴器的公差配合选取33第五章 设计总结34第六章 结论40参考文献41致 谢42第一章 绪论1.1机械手简介在机械行业中，随着生产技术要求不发展，现代化生产规模不断增大，生产效率不断提高。在生产线上由人工进行物料上下料已经不能满足生产的需要，并且随着人力劳动成本的提高，各生产厂商为了节约成本，提高效率，实现生产自动化，对上下料机械手的需要程度也不断提高。目前我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍然由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，为了适应现代机械行业自动化生产的要求,利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。在工业生产中机械手也称为“工业机器人”。集成气动、液压、数控、计算机、机械等多学科的综合技术，可通过计算机编程，设定三维空间内任意运动轨迹，是适合自动化生产线的典型机电一体化设各。通过机械手工业生产线的引入，能够大大提高企业生产效率、提升产品质量、改善劳动者工作条件。是上业企业提高自动化水平的重要途径。工业机器人的广泛使用，不仅能够替代繁重的手工劳动，而且综合了人工劳动和机器工作两个方而的特长。能够同时体现人对工作情况中突发事件的判断的处理能力以及机器本身具有的连续工作、加工精度稳定的能力，同时，机器人还具有反应时间短、功率输出大、精度稳定性高、信号处理方便等优点，是工业生产中不可或缺的高科技产品，也是制造领域不可或缺的自动化机械设备。机械手是模仿人手的动作过程，按编制程序、轨迹及参数要求实现自动抓取等操作的自动机械装置，能够进行物料搬运等工作的。自动化工业生产中，生产线中通过机械手的使用可以大大提高生产率，具有如下特点:1.在保障生产安全和产品质量的前提下，大大减轻生产工人的劳动强度;2.它能够代替人在恶劣的环境中(易燃、易爆和灰尘大)工作，保障人身安全。因此，机械手适用与易燃、易爆和灰尘大的场合，在装卸、运输、机械制造等方面运用广泛。机械手的结构形式起初比较简单，专用性强，时仅为某台特定机床进行上料、下料工作，是专门附属于机床的机械手。伴随工业技术及控制理论的不断发展，研制了能够按程序要求独立的控制机械手，适用范围广泛的，简称为“通用程控机械手”。由于通用程控机械手土作程序能够随时改变，适应性强，所以在加上品种多样、批量中小的生产过程中得到了广泛的应用。1.2机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，其示意图如下所示：图1-1 机械手系统组成一：执行机构：执行机构由抓取部分（手部），腕部，臀部等运动部件组成。手部：即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单)。手爪多为两指（也有多指)，根据需要分为外抓式或内抓式两种，也可用负压式或真空式的空气吸盘(它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。腕部：连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位(即姿态)。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等)，手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。臀部：手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具)，并动它们作空间运动。臀部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰)运动。二：驱动系统：有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的输出力大，臂力可达lO0ON以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。三：控制系统：有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.3机械手的分类1.根据用途不同分类机械手按用途主要分为三类：第一类为通用机械手，它是一种不依赖于主机的独立装置，可以根据需要编写控制程序，完成所需的功能，这类机器人有球坐标式、圆柱坐标式和直角坐标式等多种形式，主要由基座、腰关节、大臂、小臂以及手爪等组成，在三维空间里具有很好的灵活性和通用性，因此具有广泛的应用，对于该类机器人的研究和应用已经颇为成熟，由于其良好的通用性，只要在手爪部位安装合适的装置即可完成相应的功能。第二类为操作机，用以完成某些特定的作业；主要分为焊接操作机、可行走操作机及锻压操作机。第三类为专用机械手，其主要是附属于机床或自动生产线上，用以解决机床的上下料功能及工件的输送功能，该种机械手在轴类及盘类零件的加工机床或生产线上应用尤其广泛，专用机械手可以根据不同的驱动结构设计不同的手爪。其优点在于动作迅速，并可以一次动作同时完成上料和卸料双重功能，同时对于空间的占用较小；缺点在于其机械手臂长度固定，动作单一，因此只能实现固定工位的上下料，且气爪与使用对象及其尺寸一一对应，因此具有专一性，适合于运用于机床内部使用。2.根据驱动方式不同分类：1)液压驱动机械手。机械手执行机构是以液压驱动运动的。其特点是:抓重较高、反应灵敏、传动稳定。但要求严格密封装置的密封性，液压油泄漏会产生对机械手及周围环境十分巨大的影响，且成本高。 2)气压驱动机械手。机械手执行机构是以压缩空气驱动运动的。其特点是以空气为介质，成本低廉、取用方便，使用安全性高，适用一于易燃易爆等场合。绿色环保，空气使用后可直接排放，不会造成二次污染，配件价格低廉，结构简单，使用更换成本较低。维护修理简单，劳动者不需通过高端培训即可熟练掌握。气缸具有模块性，方便对现有机器进行改装。能够储存能量，以便应急使用。自身具各过载保护。能持续进行工作，过载工作时能自动减压(泄气)而停止土作，充气加压后可继续工作，不会对机构产生影响。运动速度较高。3)机械驱动机械手。机械手执行机构由机械传动机构(如连杆、凸轮等)驱动运动的。其特点:附属于主机之上，由工作机械进行动力传递。运动准、动作大、结构大、程序圆定。通常用于设备工作主机的上料、下料工作。4)电力驱动机械手。机械手执行机构使用感应电机、步进电机或直线电机直接驭动运动的。其特点:无需转换机构、简易结构、行程较长、维护简单。3.根据控制方式不同分类 l)点位控制。运动轨迹为两点间的直线运动，通过确定凡个点位置来控制整个运动轨迹控制点数越多，电气控制系统越复杂。但由于该方法控制简单，目前被广泛使用于专用机械手和通用机械手中。 2)轨迹控制。运动轨迹不受点位制约，可以在空间范围内进行任意曲线运动，控制器控制整个运动过程，运动过程平稳且准确，电气控制系统设计繁琐，此类机械手主要采用计算机辅助控制，应用范围广泛。1.4机械手在数控车床上的运用自从1953年，美国空军和麻省理工学院联合研制了世界上第一台数控机床，自此经几十年的发展数控机床已从最初的单坐标发展到三坐标联动，进而到发展到现今多轴(四、五轴)联动加工中心，加工范围从单一加工功能发展到车、铣、磨等多功能综合进而发展到具有特种加工功能。目前数控车床中机械手驱动方式主要是采用伺服电机驱动，也是相对成熟的驱动技术，系统在直线、运动、旋转运动时能够保证定位精度。不同功率通过机械设计重新组合而得以实现，使用普及度较高。其缺点是价格高、效率低，又限制其更为广泛的应用。可通过技术革新、功能开发、降低成本、提高效率等诸多方法解决这一问题。出现较早、应用较广的一种驱动器是气动肌肉，具有质量轻、结构简单、容易控制易等优点，在各种机器人中应用广泛。通过气动肌肉，变化长度较小的缺点得以克服，转动位移增大，具有仿生关节刚度高、控制独立等优点。模块化机械手由于其成本低廉、抗干扰性能强等优点突出，己经在数控机床中已经得到了广泛应用，此类气动机械手定位精度相对较低，常用于特定零件的装卸。针对数控车床自动装卸机械手的研究相对较少。本课题着眼于气动驱动、自动装卸的机械手的设计。1.5机械手在国内外发展现状 从国内外所有机械手的发展现状来看，在现阶段，对机械手的研究和开发已趋于高潮，机械手的发展现状与动态，可以总结为:第一，模块化与可重构化是现阶段机械架构发展的主要动向;其二，PC机的开放型控制器是机械手体系发展的一个主要方向，其目的就是为了完善机械手，使其逐渐走向网络化和标准化;器件集成度得以强化，架构设计玲珑，同时运用过了模块化架构;在很大程度上强化了机械手体系的安全性和可靠性，同时也满足机械手在维修和防护方面的一些便捷性;第三，传感器在机械手中发挥了十分重要的作用，不仅运用了传统的速度传感器、位置传感器等，同时也引进J'先进的视觉传感器、触觉传感器和听觉传感器，促使机械手逐渐向智能化方向发展和推进;第四.装配、焊接等机械产品逐渐向模块化、标准化及系列化方向推进和发展，及系统动态的仿真等。1.6机械手的技术发展方向 国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触角反馈。目前，世界各界正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选IFS所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法;一是检渊把握物体手臂的变形，以决定适当的握力:另一种是直接检测指部与物件的滑动位移来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能:1) 能准确地抓取方位变化的物体。2) 能判断对象的重量。3) 能自动避开障碍物。4) 抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机被手的应用必将会飞跃发展。1.7课题的来源及研究意义发电机和电动机的转子外圆要求进行粗车和精车。在电机运行过程中，电机的气隙通过设计的很小（气隙磁通越小电机的性能越好），一般不大于0.3毫米，如果转子或者轴承稍有偏心，轻则使气隙磁通不均匀而影响电机的出力大小及其均匀程度，重则使转子与定子的摩擦，使电机的消耗增加，出力减少，温度增高，重则不能工作而烧毁电机。如果检测超出允许范围，就必须修理或者更换电机。因此上料的时候，必须保证工件的定位精度，又要确保每次上料的一致性，传统的人工上料不仅劳动强度很大，上料精度也很不好控制。随着数控技术的发展及PLC编程技术的迅速普及，其加工时间要缩短到一分钟以内，为适应机床高精度、高效率的加工要求，发展自动上下料已成为必然趋势。精车外圆是在数控车床中进行，要求机床的转速高，使用双道具进行车削。第一遍进行粗车，接着进行精车，保证其加工精度。因此车削转子外圆的上下料系统要满足快速性和高精度的双重特性。机械手自动上下料系统是机械手应用的一个重要方面，它的出现与广泛应用，可以大大的解放人力资源，减轻劳动强度，实现生产及加工过程的自动化，提高生产效率。随着数控机床向高速高精度方向的不断发展，利用机械手代替人工实现自动上下料已成为一种发展趋势。在近年来的国际机床展览会上，国外高档加工中心与数控机床已普遍采用机器人自动上下料装置，国内机床厂商也开始关注和着手进行相关技术和装置的研发，其中，机床自动上下料系统的快速、高精度和良好的适应性成为技术难点。本课题针对企业实际生产和发展需要，研究与开发数控外圆精车的机械手自动上下料系统，对促进国产高端制造装备水平的提高无疑具有重要的研究与应用价值，使系统的效率明显的上一个台阶。第二章 机械手设计方案2.1机械手方案设计原则2.1.1机械手机构设计原则 在机械零件设计时，设计人员应同时考虑到零件的设计要求和工艺要求。产品的质量和成本会受到工艺要求的影响。一般应满足以下要求: 1)在设计时应完全保证零件尺寸标准化和互换性。便于后期的维修更换。 2)零件尺寸基准选择要合理规范，尺寸标注之前应首先考虑，同时注意设计基准和工艺基准要重合、设计基准同定位基准尽量保证重合。 3)在满足零件设计要求的基础上，同时考虑到零件制造、加工、装配的整体工艺路线。 4)零件尺寸精度按照零件功能的要求进行设定，设定过低影响产品质量，设计过高会增加成本。 2.1.2.机械手部件选材原则机械手的设计再考虑到零件结构设计的基础上，还要考虑到其材料工艺的选择。选材要考虑到其零件的使用性、制造过程及成本等几个方而，应满足以下要求:1)使用性在机器零件的设计上，通过分析零件工作条件和失效形式，对力学性能进行分析，是使用性能的一个重点。 2)工艺性通过工艺性能分析，对加工形式进行分析设定。在满足使用性能的前提下，选择更易加土的材料能够大大降低加工难度。这项指标也会对经济型产生影响。3)经济性选材应保证其整体成本最低。零件寿命、重量、研究费、加工费、维修费都会涉及总体成本，材料价格的高低是选材重要的经济性指标。确保零件的使用、工艺性能基础之上，降低材料价格，压缩成本以增加经济效益更大化，提高市场上产品竞争力，是工程设计中一贯坚持的重要原则。2.2机械手上下料系统要求按照工厂的实际生产要求，数控车削转子的机械手上下料系统需要自动实现上料并且将加工完成的工件自动取下来然后将加工好的工件放到传送带上完成输送功能。因此机械手上下料系统需要具有自动上下料功能、吹气功能及其输送功能等，其主要的设计要求如下：a) 实现从传送带取放工件到机床工作台上取放工件的整个循环过程的自动化；b) 机械手与工件输送系统可为相互独立的模块，可单独使用亦可构成一个系统；c) 系统动作流程，稳定可靠；d) 上下料的时候，转子中心孔与机床芯轴的定位精度为0.010.04 mm；2.3机械手动作要求上下料动作分析：根据生产线体的空间位置和操作台的具体位置，然后再根据上下料和车床的加工工艺过程和具体的工序，确定机械手需要完成的具体动作流程图如下：表2-1机械手动作序号动作名称行程范围1机械手下移200mm2机械手1夹紧/3机械手上移200mm4 机械手左移1000mm5 机械手翻转90°6 机械手下移200mm7 机械手2爪夹紧/8 车床的顶针退/9车床的夹头松开/10机械手右移（少量）6mm11机械手上移200mm12机械手翻转90°13机械手下移200mm14机械手少量左移6mm15车床顶针进/16车床夹头紧/17机械手指松/18机械手上移200mm19机械手翻转90°20机械手右移1000mm21机械手下移200mm22机械手指松开/23机械手上移200mm24机械手翻转90°根据建立的空间坐标系，分析整个过程基本有沿z轴的上下移动和x轴的左右移动，以及沿y轴的翻转运动.根据任务书上得翻转角度为90度，沿x轴移动距离为1000mm，沿z轴上下移动距离为200mm，以及手爪的夹紧和松开过程。根据机械手运动的过程，完成具体动作，选择完成基本运动的传动件。2.4传动件和执行元件的方案设计根据机械手具体完成动作，将机械手分成几个重要过程，即：工件的夹紧和松开过程，工件沿y轴翻转90度过程，工件沿Z轴上下移动过程和工件沿x轴的来回移动过程。下面就几个过程分别设计其运动实现方案：a）工件的夹紧和松开过程：根据任务书要求选择用气动元件，又考虑到该过程不需要提供很大的动力，仅需简单，方便的元件就可以完成，考虑到大部分气动元件都是气缸，所以选择用气缸来提供动力，再根据工件为直径30mm的转子，质量为0.5kg，需要完成对转子的夹紧和松开两个动作，根据工业机械手设计选择用气爪来实现动作要求！b）工件沿y轴翻转90度过程：方案一：这个过程需要将机械手翻转90度，选择转动的元件实现功能。转动动力一般为电机，可以由电机提供动力，电机轴直接带动工件旋转90度。也可以在中间加一传动件，比如齿轮传动，由齿轮的齿数来控制其旋转角度，实现目的要求。方案二：动力源仍旧选择由气压提供，在气缸的种类中找到能将直线运动转变为回转运动的气缸。摆动气缸就是其中的一种，所以选择摆动气缸来实现目的要求。方案评估：该过程可以直接选择由轴的回转运动完成，也可以选择用将直线运动转化为绕轴转动来实现该功能，方案一的方法直接由电机提供回转运动，能够实现功能，但是这里考虑到该过程只是一个简单的回转运动，对精度和动力要求都不高，并且方案一使机械手更加庞大，不利于后面的设计，所以从设计的经济性出发，选择第二种方案。方案二由气压提供动力，直接用气缸就能实现功能，机械手不会变的庞大，气动本来就很便宜，这也节约了成本。气缸的选择同样在气缸的种类里面能够找到合适的解决方案。选用气缸提供动力，根据气缸的工作原理及应用入门选择回转气缸来实现功能！c）工件沿Z轴上下移动：动力源由气动提供，根据气缸的工作原理及应用入门选择双轴气缸实现工件的上下移动！d）工件沿x轴的来回移动：该运动过程是直线运动，能够直接实现直线运动的有很多方式，比如带传动，或是曲柄滑块机构的运动。也可以选择有回转运动改变成之间运动的方式，比如齿轮齿条传动，或是丝杆的传动。由于需要在工件在安装时保证良好的精度和定位要求，所以需要选择高精度的传动原件，并且来回行程很长，为了节约工件在传送过程中的时间的不必要浪费，所以选择用私服电机提供动力，滚珠丝杆传动保证精度和传送速度！根据以上各部分传动选择好的传动原件，将工件和传动原件用连接件连接起来就可以保证其运动方式，然后再对各部分进行尺寸，形状和精度的精确设计，即可完成对数控车床的上下料要求！第三章 各部分详细设计由于本次设计主要采用的是气动元件，在机械手设计的时候选择的是气缸。其实动力源还有很多，比如液压、电动力马达，之所以选择气动，是因为此小型机械手中手爪的夹紧力和驱动力都不是很大，气压传动完全可以满足工作要求，加上气压传动有能量储存简单而且可以产生高速动作；气体容易压缩，并且无污染，释放后可以循环利用；生产成本价格低廉，体积小，重量轻，输出质量高的优点，所以主要是对气缸的选型计算3.1气压传动简介 气压传动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质，对机械运动进行能量传递及控制的一门技术，简称为气动技术。气动技术近年发展迅速，其关键部分是气动元件。通过气动元件的不同组合，形成气动控制、传动系统。气动技术传递信号和能量的介质主要是空气，通过空气压缩产生的气压进行控制的一门技术，主要是气动控制和气压传动两部分内容。气动技术突破原有理念，在汽车、机械、医疗等多个领域起到至关重要的作用，己广泛应用于国民经济的成套设备和自动化生产线上。 液压与气动是两种应用广泛的传动技术，两者相对比，各有优缺点。气动技术相对于液压技术具有以下优点: 1.以空气为介质，成本低廉、取用方便，使用安全性高，适用于易燃易爆等场合， 2.绿色环保，空气使用后可直接排放，不会造成二次污染，配件价格低廉，结构简单，使用更换成本较低。 3.维护修理简单，劳动者不需通过高端培训即可熟练掌握。 4.气缸具有模块性，方便对现有机器进行改装。 5.能够储存能量，以便应急使用。 6.自身具备过载保护。能持续进行工作，过载工作时能自动减压(泄气)而停止工作，充气加压后可继续工作，不会对机构产生影响。 7.运动速度较高。 气动技术相对于液压技术缺点如下: 1.压缩空气使用前需要进行过滤，除去其杂质并进行干燥。 2.系统使用压缩空气效率相对较低，稳定性相对较差，不利于进行精确的位置控制和速度控制3.设备运转时产生较大噪音。 4.信号传递速度相对较低，延迟、失真情况明显，不便用于需要高速、精确传递，信号传送距离有限。 国外将气动称为“廉价技术、自动化技术”。气动装置在现今自动化工业中地位十分重要。气动技术具有抗燃、无污染、原料易获得等优点，得到了越来越广泛的关注和研究。由于气动技术本身具备的特性，特别是其优点突出，使其在各工业自动化部门应用日益广泛。气动技术与液压、电器等新兴技术共同成为自动化生产中广泛应用的先进技术。其发展趋势正在向微型化、模块化方向发展。3.2气缸的基本组成和原理气缸的组成：气缸主要由缸体，活塞，活塞杆，前后端盖，密封装置组成部分气缸还有磁环等气缸的基本原理:气缸的基本原理为通过压力的空气推动活塞移动，活塞杆连接在活塞上随活塞一起运动，活塞杆连接执行件，通过改变进气方向，改变活塞杆的移动方向从而改变执行件的运动状态。失效形式:活塞卡死，不动作;气缸无力，密封圈磨损，漏气。气缸的种类：气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。1.单作用气缸：仅一端活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。2.双作用气缸从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。2.膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。4.冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速（1020米秒）运动的动能，借以做功。做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于 280°。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等气缸的分类：气缸可以分为直线运动往复运动的气缸、摆动运动的摆动气缸、气爪等。气缸的密封：用来防止气压泄露一般采用密封圈，回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。图3-1 气缸3.3气缸的选择原则方法负载力f: 负载力是由工件产生的力，是气缸所带动负载产生的外力。负载率：指气缸轴向负载力F与气缸理论输出力F1之比。理论输出力：理论输出力是指在气缸处于静止状态下，作用在活塞有效截面积上的气体产生的压力或推力。尺寸的选择：根据气缸的推力拉力大小，选定气缸的使用压力参数以及缸劲尺寸，气缸的推力计算公式为：气缸推力计算公式为： （3-1）气缸拉力计算公式为： （3-2）公式式中：D-气缸的活塞直径（） d-气缸的活塞杆直径（） P-气缸的工作压力()，-气缸的理论推拉力（N）上述的计算公式仅适用于气缸的工作速度在50500mm/s范围内，气缸以上下垂直形式安装使用的时候，向上的推力约为理论计算值的50%，如果气缸横向水平使用，考虑惯性因素，其理论输出推力与输出推力基本相等，计算时候可以认为相等来考虑。另外，选定气缸的行程时，要确定工作的移动距离，考虑工作状况是满行程还是预留行程，当行程超过工作状况的最长行程的时候，要考虑活塞杆的刚度，可以选择支撑导向或者选择特殊气缸。根据气缸的缓冲形式，有无缓冲气缸、可调缓冲气缸以及固定缓冲气缸。根据气缸的润滑方式，有给油润滑气缸和无给油润滑气缸，根据气缸的选型方法，可知本次机械手上下料设计中气缸的选择是关键！ 3.4气爪的设计3.4.1气爪的介绍气爪即是气动手爪，是一种变形气缸。它用来抓取物体，以实现机械手的各种动作，气动手爪常用于搬运。它有平行开合手指，肘节摆动开合手爪、有两爪、二爪和四爪等类型，其中两爪中有平开式和支点开闭式驱动方式有直线式和旋转式。气动手爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。适用于多尘，多屑的场合。因此，根据手动气爪的这些功能和设计要求，参考平开直线式手爪的原理，其结构和运动原理如下：图3-2 气爪当A口进气B口排气时，气缸活塞杆2伸出，通过杠杆3绕杠杆轴7回转，带动两个手指5通过一组钢球11在导轨4上做外直线运动，两手指便张开，松开工件。制动块6限制工件行程，定位销13保证直线导轨不错位。3.4.2气缸的选型负载的计算：考虑到工件为直径30mm的转子，重量不足1kg，极限重量为5kg，在夹紧过程中受力如下图所示：图3-3转子质量为最大：m=5kg （3-3）G=m*g=5*9.8=49N （3-4） fy=0.5*G=24.5N （3-5）假设fx=fy，所以：fx=24.5N， （3-6）这样每个手指提供的合力：F= (3-7)=34.6N每个手爪需要横向移动的距离为7mm，在此工程中回收到滚珠和铰链的阻力，需要气缸提供的压力大小为1.5F，所以为1.5*34.6=51.9N。负载率：由于该气缸的作用只是负责抓取工件，所以属于低速情况： 取 =0.65 (3-8)理论输出力： F1= F/ (3-9) =34.6/0.65 =53.2N缸径的计算：气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。这里运行速度很小，系统工作压力一般去0.4-0.6MPa，选取 P=0.5MPa F1= (3-10) D=11.6mm 取圆整后： D=12mm根据求的的直径和选取的气缸工作压力，然后选择具体的气缸型号。如图所示：图3-4 气动气缸3.5旋转装置的设计3.5.1传动件的选择旋转装置主要动力为气动，所以首选气缸为摆动气缸。摆动气缸根据结构不同可以分为齿轮齿条式和叶片式两种方式。叶片式气缸：单叶片式摆动气缸的结构原理如图3-4所示口它是由叶片轴转了(即输出轴)、定子、缸体和前后端盖等部分组成。定了和缸体固定在一起，叶片和转了联在一起。在定了上有两条气路，当左路进气时，右路排气，压缩空气推动叶片带动转了顺时针摆动。反之，作逆时针摆动。叶片式摆动气缸体积小，重量最轻，但制造精度要求高，密封困难，泄漏是较大，而且动密封接触面积大，密封件的摩擦阻力损失较大，输出效率较低，小于80因此，在应用上受到限制，一般只用在安装位置受到限制的场合，如夹具的回转，阀门开闭及工作台转位等。1叶片叶子 2. 转子 3. 定子 4. 缸体图3-5 叶片式摆动气缸齿轮齿条式气缸：齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸，其结构原理如下图所示。活塞仅作往复直线运动，摩擦损失少，齿轮传动的效率较高，此摆动气缸效率可达到95%左右。图3-6 齿轮齿条式摆动气缸根据齿轮齿条式和叶片式两种气缸的对比，明显齿轮齿条式气缸在结构和效率上都要比叶片式优良，所以这里选择齿轮齿轮齿条式的摆动气缸来完成所需运动。3.5.2齿轮齿条式气缸的设计 3.5.2.1齿轮轴的材料选择此次设计属于精密设计，所选用的齿轮精度比较高，并且齿轮要有较高的强度及其齿面具有较高的硬度，还应进行磨齿及其精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，