气压传动机械手设计摘要.

气压传动机械手设计
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。

本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数，气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件。

同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。

设计了机械手的手臂结构。

设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。

关键词：工业机器人，机械手，气动
目录
第1章前言 (1)
1.1工业机械手概述 (1)
1.2气动机械手的设计要求 (1)
1.3机械手的系统工作原理及组成 (1)
第2章机械手的整体设计方案 (4)
2.1机械手的座标型式与自由度 (4)
2.2机械手的手部结构方案设计 (4)
2.3机械手的手腕结构方案设计 (4)
2.4机械手的手臂结构方案设计 (4)
2.5机械手的驱动方案设计 (5)
第3章手部结构设计 (6)
3.1夹持式手部结构 (6)
3.2设计时考虑的几个问题 (6)
3.3手部夹紧气缸的设计 (6)
第4章手腕结构设计 (10)
4.1手腕的自由度 (10)
4.2 手腕转动时所需的驱动力矩 (10)
4.3回转气缸的驱动力矩计算 (12)
4.4 手腕回转缸的尺寸及其校核 (13)
第5章手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 (16)
5.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 (16)
5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 (16)
5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 (17)
第6章气动系统设计 (19)
6.1气压传动系统工作原理图 (19)
第7章结论 (21)
参考文献： (22)
致谢 (23)
第1章前言
1.1工业机械手概述
工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的生产设备。

适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的起着十分重要的作用。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到广泛的引用。

机械手的结构形式开始较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。

但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

1.2气动机械手的设计要求
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)机械手为通用机械手，适用面较广。

(2)选取机械手的座标型式和自由度。

(3)设计出机械手的各执行机构。

(4)气压传动系统的设计,包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

1.3机械手的系统工作原理及组成
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。

图1-1 机械手的系统工作原理框图
机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

在PLC 程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。

同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
(一)执行机构
1、手部。

即与物件接触的部件。

2、手腕。

是连接手部和手臂的部件。

3、手臂。

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

4、立柱。

立柱是支承手臂的部件。

5、机座。

机座是机械手的基础部分。

(二)驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。

它由动力装置、调节装置和辅助
控制系统 （PLC ）
驱动系统 （气压传动）
执行机构 位置检测装置
手部
手腕
手臂
立柱
装置组成。

(三)控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

(四)位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

第2章机械手的整体设计方案
2.1机械手的座标型式与自由度
本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。

为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。

（如图2-1所示）。

图2-1 机械手的运动示意图
2.2机械手的手部结构方案设计
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，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。

手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手
臂的横移。

手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5机械手的驱动方案设计
由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

第3章手部结构设计
3.1夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。

3.2设计时考虑的几个问题
(一)具有足够的夹紧力
(二)手指间应具有一定的开闭角
(三)保证工件准确定位
(四)具有足够的强度和刚度
(五)根据机械手的工作需要，通过比较，采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。

3.3手部夹紧气缸的设计
1、手部驱动力计算
本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：
图3-1 齿轮齿条式手部
其工件重量G=5公斤，
V 形手指的角度
1202=ϑ，mm R mm b 24120=>=,摩擦系数为10.0=f
(1)驱动力为:
R b p 2=
N
(2)握力计算公式:
)(5.0ϕθ-=tg N
)(25)42560(55.0'N tg =-⨯⨯=
所以
R b
p 2=
N )(245N =
(3)实际驱动力:
η
2
1K K p
p ≥实际
1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取94.0=η，并取5.11=K 。

若被抓取工件的最大加速度取
g a 3=时，则:
412=+
=g a K
所以
)(156394.04
5.1245N p =⨯⨯
=实际
2、气缸的直径
本气缸属于单向作用气缸。

其公式为:
z
t F F P
D F --=
4
21π
式中: 1F - 活塞杆上的推力，N
t
F - 弹簧反作用力，N
z F - 气缸工作时的总阻力，N
P - 气缸工作压力，Pa
弹簧反作用按下式计算:
)
1(s G F f t +=
n D Gd G f 3
14
1
=
Gf =n D Gd 3
14
1
8 式中:
f
G - 弹簧刚度，N/m
1- 弹簧预压缩量，m s - 活塞行程，m
1d - 弹簧钢丝直径，m 1D - 弹簧平均直径，.
n - 弹簧有效圈数.
G - 弹簧材料剪切模量，一般取Pa G 9104.79⨯=
在设计中，必须考虑负载率η的影响，则:
t
F p D F -=
4
21η
π
由以上分析得气缸的直径:
ηπp Ft F D )(41+=
代入有关数据，可得
=f G n D Gd 314
1
8=4
333915
)1030(8)
105.3(104.79⨯⨯⨯⨯⨯⨯--
)/(46.3677m N = )
1(s G F f t +=
)(6.220106046.36773
N =⨯⨯=-
所以:=
D pn Ft F π)
1(4+=
6105.0)
6.220490(4⨯⨯+⨯π
)(23.65mm =
查有关手册圆整，得mm D 65=
由3.02.0/-=D d ,可得活塞杆直径:mm D d 5.1913)3.02.0(-=-=
圆整后，取活塞杆直径mm d 18=校核，按公式][)4//(2
1σπ≤d F 有:5
.0])[/14(σπF d ≥
其中，[σ]MPa 120=，N F 7501=
则:5
.0)120/4904(⨯⨯≥πd
1828.2≤=
满足实际设计要求。

3、缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。

一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
]
[2/σδp DP =
式中:6- 缸筒壁厚，mm
D - 气缸内径，mm
p
P - 实验压力，取
P
P p 5.1=, Pa
材料为:ZL3,[σ]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:
]
[2/σδp DP =
)(5.6)1032/(1066565mm =⨯⨯⨯⨯=
取mm 5.7=δ，则缸筒外径为:)(8025.7651mm D =⨯+=
第4章 手腕结构设计
4.1手腕的自由度
手腕的作用是调整或改变工件的方位，具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。

本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x 轴转动回转运动。

4.2 手腕转动时所需的驱动力矩
驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

图4-1 手碗回转时受力状态
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
封摩偏惯驱M M M M M +++=
式中: 驱M - 驱动手腕转动的驱动力矩(cm N ⋅);
惯M - 惯性力矩(cm N ⋅);
偏M - 偏重力矩(cm N ⋅).
封M - 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力
矩(cm N ⋅);
以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M 悦
若手腕起动过程按等加速运动，手腕角速度为ω，起动过程所用的时间为t ∆，则:
).(1cm N t
J J M ∆+=ω
）（惯
式中:J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量)..(2s cm N ;
1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量)..(2s cm N 。

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量1J 为:
g
G J J c 11+
=2
1e 式中: c J - 工件对过重心轴线的转动惯量)..(2s cm N :
1G - 工件的重量(N);
1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),
ω- 手腕转动时的角速度(弧度/s);
t ∆- 起动过程所需的时间(s);
ϕ∆— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M 偏
=偏M 11e G +33e G (cm
N ⋅)
式中:
3
G - 手腕转动件的重量(N);
3
e - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则11e G 0=. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩
封
M
=封
M )(212d R d R f
B A +(cm
N ⋅)
式中:1d ，2d - 转动轴的轴颈直径(cm);
f - 摩擦系数，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动轴承1.0=f ;
A R ,
B R - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，
根据0=∑）（
F M A ,得: 33l
G l R B +=l G l G 122+
B R =l l G l G l G 3
32211-+
同理，根据B M ∑(F)0=,得:
l l l G l l G l l G R A )
()()(332211-++++=
式中:2G - 的重量(N)
321,,,l l l l ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).
4.3回转气缸的驱动力矩计算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，单叶气缸的压力P 驱动力矩M 的关系为:
)(222r R b M p -=
或 2)
(22r R pb M -=
图 4—2 回转气缸间图
其中：M —回转气缸的驱动力矩 (N.cm) P —回转气缸的的工作压力 (N.cm) R —缸体内壁半径 (cm)
r —输出轴半径 (cm) b —动片宽度 (cm)
4.4 手腕回转缸的尺寸及其校核
1.尺寸设计
气缸长度设计为mm b 100=,气缸内径为1D =96mm,半径mm R 48=,轴径
mm D 262=2D =26mm,半径mm R 13=,气缸运行角速度ω=s /90 ，加速度时间t ∆=0.1s,
压强MPa P 4.0=,
则力矩：
2)(22r R pb M -=
).(6.322
)026.0048.0(1.0104.0226m N =-⨯⨯=
2.尺寸校核
（1）测定参与手腕转动的部件的质量
kg
m 101=，质量密度等效分布在一个半径
mm r 50=的圆盘上，那么转动惯量：
221r m J =
205.0102⨯=
0125.0=（2
.m kg ）
工件的质量为5kg ,质量分布于长mm l 100=的棒料上，那么转动惯量：
).(0042.0121.0512222
m kg m l J c =⨯=
=
假如工件中心与转动轴线不重合，对于长mm l 100=的棒料来说，最大偏心距
mm e 501=，其转动惯量为:
)
.(0167.005.050042.0222
1
1m kg e m J J c =⨯+=+=
惯
M
t J J ∆+=ω
)
(1
).(3.261
.090)
0167.00125.0(m N =+=
（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M 偏，考虑手腕转动件重心
与转动轴线重合，01=e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm e 503=,则：
=偏M 11e G +3
3e G
).(5.205
.010501010m N =⨯⨯+⨯⨯=
（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为
摩
M ，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动
轴承f =0.1，1d ，2d 为手腕转动轴的轴颈直径，mm d 301=, mm d 202=, A R ,B R 为轴颈处的支承反力，粗略估计N R A 300=,N R B 150=,
摩
M =)(212d R d R f
B A +
=)
03.015002.0300(201
.0⨯+⨯
=).(05.0m N
4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

在此处估计
封
M 为
摩
M 的3倍，
封M =3⨯摩
M
=05.03⨯ =).(15.0m N
封
摩偏惯驱M M M M M +++=
=15.005.05.23.26+++
).(29m N
M M 〈驱
设计尺寸符合使用要求，安全。

第5章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核
5.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核
手臂伸缩气缸的尺寸设计
气缸用CTA 型气缸，尺寸系列初选内径为φ100/63
尺寸校核
1.气缸内径1D =63mm,半径R=31.5mm ，设计使用压强MPa P 4.0=, 则驱动力：
2R P F π⋅=
)(12460315.014.3104.026
N =⨯⨯⨯=
2．测定手腕质量为50kg,设计加速度)/(10s m a =，则惯性力：
ma F =1 )(5001050N =⨯=
3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数2.0=k , 1.F k F m = )(1005002.0N =⨯=
总受力m F F F +
=10 )(600100500N =+=
F F <0
所以标准CTA 气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。

导向装置：气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。

平衡装置：在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核
尺寸设计
气缸运行长度设计为l =118mm,气缸内径为1D =110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间t ∆=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：
``20.R p G π=
2
6055.014.3104.0⨯⨯⨯= )(3799N =
尺寸校核
1．测定手腕质量为80kg,则重力： mg G = )(80010
80N =⨯=
2．设计加速度)/(5s m a =，则惯性力：
ma G =1 )(4005
80N =⨯=
3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数1.0=k ， 1.G k G m = )(40400
1.0N =⨯=
总受力m q G G G G ++=1 )(124040
400800N =++=
G G q <
所以设计尺寸符合实际使用要求。

5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核
尺寸设计
气缸长度设计为mm b 120=,气缸内径为mm D 2101=,半径R=105mm,轴径mm D 402= 半径mm R 20=,气缸运行角速度ω=s /90 ，加速度时间t ∆=0.5s,压强
MPa P 4.0=, 则力矩：2)(2
2r R pb M -
= ).(2552
)
020.0105.0(12.0104.0226m N =-⨯⨯=
尺寸校核
1．手臂转动的部件的质量
kg
m 1201=,
质量密度等效分布在一个半径mm r 200=的圆盘上，那么转动惯量： 221r m J =
210.01202
⨯=
6.0=（2
.m kg ）
t J M ∆=ω
.
惯
).(1085
.0906.0m N =⨯
=
考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数2.0=k ,
惯
摩M k M .= ）（m N .4.5108
2.0=⨯= 总驱动力矩：
摩
惯驱M M M +=
）（m N .4.1134.5108=+=
M M 〈驱
设计尺寸满足使用要求。

第6章气动系统设计
6.1气压传动系统工作原理图
图6—1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。

它的气源是由空气压缩机（0.4～0.6MPa）通过快换接头进入出气罐，经分水过滤器、油雾器、进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

图6—1 机械手气压传动系统工作原理图
表6—1 气路元件表
序号型号规格名称数量
1 QF-44 手动截止阀 1
2 储气缸 2
3 QSL-26-S1 分水滤气器 1
4 QTY-20-S1 减压阀 1
5 QIU-20-S1 油雾器 1
6 YJ-1 压力续电器 1
7 24DH-10-S1 二位五通电磁滑阀 1
8 24D2H-10-S1 二位五通电磁滑阀 4
9 24D2H-15-S1 二位五通电磁滑阀 1
10 单向节流阀 2
各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。

如平臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。

升降气缸采用气
节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。

气液传送器气缸的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

第7章结论
1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。

工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。

阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。

同时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

参考文献
[1] 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988
[2] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4
[3] 金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用，2001
[4] 王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，1999, 5
[5] 严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992
致谢
本论文的完成，得益于学院老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于授课教师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对论文设计导师表示感谢！指导老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

在此感谢指导老师对我的悉心教导。

中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）评语
指导教师：陈帅华职称：讲师
工作单位：重庆信息工程专修学院
学员：唐刚年级专业层次0509 机械设计制造及自动化高起本
评语：
该同学从下达任务开始时就非常认真的查找准备资料，态度非常端正。

该文结构完整，语言比较流畅，各部分符合毕业论文的写作规范。

该文不但选题具有较为重要的理论意义与应用价值，而且论文的结论有一定的创新性，是合格的论文。

指导教师签名：手写
2009年5 月25 日。