简易机械手机械结构设计(DOC)

机电工程学院
《专业综合课程设计》
说明书
课题名称：简易机械手机械机构设计
学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电
成绩：指导教师签字：
2015年1月5日
摘要
简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。

工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。

通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。

通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。

关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录
摘要 (I)
1 设计任务介绍及意义 (1)
1.1设计任务意义： (1)
1.2设计任务要求介绍： (1)
2 总体方案设计 (3)
2.1 结构分析 (3)
2.3 设计简介 (3)
3 机械传动结构设计 (5)
3.1传动结构总体设计 (5)
3.2手指气缸的设计 (6)
3.3纵向气缸的设计 (12)
3.4横向气缸的设计 (13)
4最终图纸 (15)
4.1装配图 (15)
5 总结 (16)
参考文献 (17)
图 1 搬运任务
2 总体方案设计
2.1 结构分析
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

1-夹紧气缸；2-纵向气缸；3-横向气缸；4-常开手部
5-固定支架导轨（2个）；6-弹簧
图 2 方案一示意图
2.2 设计任务要求介绍
可以看出：图示为地面固定式，气缸2固定在地面上的固定台上，可以上下移动；
3 机械传动结构设计
3.1传动结构总体设计
本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是物品的抓紧和释放，气缸2的作用是实现物料纵向的提升与下降，气缸3的作用是实现物料的横向移动。

对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度
气缸的设计流程图如图4所示
图4 气缸设计流程图
气缸按结构特征分类如图 5
单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。

由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。

双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等，活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。

单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。

结合课程设计的方案，夹紧气缸1选择单作用气缸，依靠弹簧力恢复；纵向气缸2选择单作用气缸，靠重力恢复；横向气缸3选择双作用气缸
图5 气缸结构分类3.2手指气缸的设计
图6 手指气缸结构图
（1）夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。

一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算：
式中——安全系数，通常取1.2-2.0；
——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算
其中 a——运载工件时重力方向的最大升加速度
g——重力加速度 g=9.8
——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。

f——摩擦系数
G——选取工件所受的重力（N）
设为1.5，
将已知条件代入得：
（2）气缸的内径
根据手指的几何关系得：
由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。

在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：
β
气缸的实际负载
F气缸的理论负载
100
=F
%
()0⨯
由《液压与气压传动技术》表11-1：取β=0.45
根据气缸的结构得：
D--活塞直径，m；
d--活塞杆直径，m；
P--许用压力,Pa；
F--弹簧反作用力，N
t
估算时取d=0.3D,=40N, P=0.5。

代入上式得：
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm
（3）活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm
(4) 缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=0.20D= 0.20x80=16mm
由于气缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=236 mm
（5）气缸筒的壁厚的确定:
由《液压气动技术速查手册》知：一般气缸缸筒与内径之比
δ/D≤1/10 ，
其壁厚通常按薄壁筒公式计算：
P--实验压力，一般取b P=1.5p(p为气缸工作压力)，Pa；
b
σ--缸筒材料的许用应力，Pa，pσ=bσ/S；
p
σ--材料的抗拉强度，Pa；
b
S--安全系数，S>=6~8。

通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。

下图所列缸筒壁厚可供参考。

假设所选材料为无缝钢管，则由表知
(6)气缸耗气量的计算：
气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。

耗气量大小与气缸的性能无关，但它是选择空压机排气量的重要依据。

a
a
s
p
P
P
A
Q+
=.
v
max tη
(7)气缸的进、排气口计算
通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据ISO-15552、ISO-7180。

气缸的进、排气口的直径见下表（ISO标准规定）
气缸直径32 40 50 63 80
气口尺寸
汽缸直径100 125 150 200 250
气口尺寸
汽缸直径320
气口尺寸
查此表可知，气缸的进、排气口的规格为
3.3纵向气缸的设计
由设计方案可以知道，纵向气缸1不仅要承受负载50kg 的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg 。

则纵向气缸实际的负载F=539N 。

进一步求的理论负载119845.0/539/===βF F O （1）气缸的内径
由公式
得：
mm X P F D O 58106
951198/18.1/
18.1=== 查表后得：D=63mm 。

（2）活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18.9 mm 查表后得：d=20mm
(3) 缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L 为活塞行程；B 为活塞厚度
活塞厚度B=(0.200.25)D= 0.2063=13mm 由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=433 mm
（4）气缸筒的壁厚的确定
选用无缝钢管为材料，查表得：
(5)气缸耗气量的计算
3105.3)2^2^(max -=+-=
X p p p X D V
d D Q a
a π
(6)气缸的进、排气口计算
查表可知，气缸的进、排气口的规格为
3.4横向气缸的设计
(1)气缸的内径
根据机械手结构关系得：
取：μ=0.2，g=9.8
得：F=130(近似)
根据气缸的结构得：
估算时取d=0.3D,P=0.5。

代入上式得：
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=50 mm (2)活塞杆直径
由d=0.3D 估取活塞杆直径d=15 mm
查表得：d=16mm
（3）缸筒长度的确定：
缸筒长度S=L+B+20
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=0.20D= 0.20X0.5=10mm
由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=430 mm （4）气缸筒的壁厚的确定:
假设所选材料为无缝钢管，则由表知
（5）气缸耗气量的计算：
a
a p p p X
D V d D Q +-=
)2^2^(max π
（6）气缸的进、排气口计算
查表可知，气缸的进、排气口的规格为
4最终图纸4.1装配图
最终图纸如图7所示：
图7 装配图
徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书
17。