气动四自由度机械手结构设计正文.docx

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气动四自由度机械手结构设计正文

摘　要

针对数控车床设计的一种套类零件自动上下料机构，实现了坯料的抓取、自动定位、夹紧以及工件的回放。

该机构主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手，动力及控制系统组成。

零件的自动定位、夹紧由弹簧涨胎心轴实现，涨胎心轴是以工件的内孔表面定位，由气缸驱动弹性筒夹向外扩涨，实现工件的定位和夹紧的。

坯料、工件的拾取、回放是由单臂形式的机械手通过伸缩、旋转以及俯仰等运动实现的，这些运动均由气缸驱动获得。

本设计中，为实现工件的自动上下料，单臂机械手的运动与涨胎心轴的张合需进行紧密配合。

考虑到所夹持工件的实际尺寸、质量等因素，本机构采用气动夹具、电气控制实现了坯料和工件的拾取、安装、回放过程的自动完成。

本文对气动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。

同时，设计了机械手的夹持式手部结构。

关键词：

自动上下料；气动机械手；气动夹具；套类零件

Abstract

ThispaperisaimedatdesigningasleevepartsautomaticbaitingagenciesforaCNClathe.Itsfunctionisprocessingthecrawls,automaticpositioningandclampingoftheworkpiece.Theautomaticbaitingagenciesmainlyconsistoftheautomaticfixture,themanipulatorforpickinguptheworkpieceandbilletsandthedriveandcontrolsystem.Amongthem,theautomaticpositioningandclampingofthesetspartsisachievedbytheaxisfetalheartraterisingtotheworkpiececenteringhole.Whenclampingtheworkpiece,flexibletubefoldercancenterandclampthecylindricalholethroughtheexpansionandinflation;blankgraspingoftheworkpieceandtheintervalsareachievedbythemanipulatorarmbystretchingandrotating.Intheissue,itisnecessaryforthemovementsofthemanipulatorarmandtheautomaticalfixtureZhangtorequirethecoordination.Takingintoaccountthattheactualworkpiecesize,thequalityandthevariousfeaturesofthedrivenapproachtothesystem,wedecidetoadopttheaerodynamiccontrol,usingcompressedairtoachievethemovementsoftheclampingfixtureandmanipulator.

Keywords:

Automaticbaiting;Pneumaticmanipulator;Pneumaticfixture;sleeveparts

目　录

第1章概述

1.1气动四自由度机械手结构设计的背景与目的

1.1.1数控机床

数控机床是一种以数字量作为指令信息、形式，通过电子计算机或专用计算机装置控制的机床，是在机电一体化技术的基础上发展起来的一种灵活而高效的自动化机床，在机械行业中得到了日益广泛的应用，因为它具有如下的特点：

（1）适应性强

适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。

在数控机床上进行产品加工，当产品改变时，仅仅需要改变数控设备的输入程序（即工作程序，又称用户软件）就能适应新产品的生产需要，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，而且生产过程是自动完成的。

这一点不仅满足了当前产品更新、更快的市场竞争需要，而且较好的解决了单件、小批量、多变产品的自动化生产问题。

适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的主要原因。

（2）能实现复杂的运动

普通机床难以实现或根本无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、汽轮机叶片之类的空间曲面;而数控机床则可以实现几乎是任意轨迹运动和任何形状的空间曲面，适用于复杂异型零件的加工。

（3）加工精度高，产品质量稳定

数控机床是按照预定程序自动工作的，一般情况下工作过程不需要人工干预，这就消除了操作者认为生产的误差。

在设计制造设备主机时，通常采取了许多措施，使数控设备的机械部分达到较高的精度。

数控装置的脉冲当量可达0.01—0.00002mm,同时，可以通过实现检测反馈修正误差或补偿来获得更高的精度。

因此，数控机床可以获得比机床本身精度更高的加工精度。

尤其提高了同批零件生产的一致性，使产品质量获得稳定的控制。

（4）生产效率高

数控机床比普通机床的生产效率能高出许多倍。

尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可提高十几倍甚至几十倍。

其原因如下：

①数控机床具有较高的刚性，可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中的切削时间。

②具有自动变速、自动换刀河其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验和测量，使辅助时间大为缩短。

③工序集中、一机多用的数控加工中心，在一次装夹工件后几乎可以完成零件的全部加工，这样不仅可减少装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。

④减轻劳动强度，改善劳动条件

数控机床的工作是按预先编制好的加工程序自动连续完成的，操作者除输入加工程序及相关的操作之外，不需进行繁重的重复手工操作，劳动条件和劳动强度大为改善。

⑤有利于科学的生产管理

采用数控机床能准确地计算产品生产工时，并有效地建华检验、工夹具和半成品的管理工作。

数控机床采用标准的信息代码输入，这样有利于于计算机连接，构成由计算机控制和管理的生产系统，实现制造和生产管理的自动化。

数控机床与普通机床相比具有许多优点，其应用范围正在不断扩大，但目前它并不能完全替代普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。

在实际选用时，一定要充分考虑其技术经济效益。

数控机床最适合加工具有以下特点的零件：

（1）多品种小批量生产的零件。

（2）形状结构比较复杂的零件。

（3）需要频繁改型的零件。

（4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。

（5）需要最短周期制作的急需零件。

（6）批量较大精度要求很高的零件。

由于数控机床的自动化程度、生产效率都很高，可最大限度地减小操作工人。

因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。

车床主要是用于车削加工，在机床上一般可以加工各种回转表面，如内外圆柱面、圆锥面、成形回转表面及螺纹表面等。

在数控车床上还可以加工高精度的曲面与端面螺纹。

用的刀具主要是车刀、各种孔加工工具（钻头、铰刀、镗刀等）及螺纹刀具。

车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。

数控车床加工零件的尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度可达1.6μm以下。

数控车床的种类很多，各种卧式车床都有数控化的。

数控车床主要可分为数控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床（数控凸轮车床、数控曲轴车床、数控丝杠车床等）；或分为普通数控车床和车削加工中心。

数控车床与卧式车床相比，有以下几个特点：

（1）高精度数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。

（2）高效率随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速、传动功率不断提高，使得新型数控车床的空转动时间大为缩短。

其加工效率比卧式车床高2~5倍。

加工零件形状越复杂，越体现出数控车床的高效率加工特点。

（3）高柔性数控车床具有高柔性，适应70%以上的多品种、小批量零件的自动加工。

（4）高可靠性随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障工作时间迅速提高。

（5）工艺能力强数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成零件全部或大部分工序。

（6）模块化设计数控车床的设计多采用模块化原则设计。

现在，数控车床技术还在不断向前发展着。

随着数控系统，机床结构和刀具材料的技术发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀具快速移动以及转位换刀速度；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展。

同时，数控车床也向简易型发展。

随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多重体力劳动必将有机器代替，这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。

随着机械制造业的日益发展和数控车床的普及使用，工件的装夹往往成为制约提高加工效率的主要原因，而普通车床常用的夹紧送料方式是采用手工送料，利用装在机床主轴法兰上的三爪卡盘或四爪卡盘进行夹紧工件，装夹时间较长，工人的劳动强度大。

对于数控车床而言，人工装夹时间往往比加工时间还长，为此，在数控车床上曾开发出液压或电机夹紧送料装置。

液压夹紧装置虽然体积小，但必须每台车床配备一套液压站，所以其成本较高，且送料机构采用重物提拉方法，结构大，占用地方多，另外液压站使用的介质为液压油，维护保养时易污染环境等。

电机夹紧装置的体积较液压夹紧装置稍微大些，较经济，但一般只有夹紧装置而只有送料装置，使数控车床无法实现自动连续工作，从而降低了数控车床的加工效率。

套类零件自动上下料机构主要包括自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手，动力及控制系统。

在数控车床加工过程中，该机构用于实现坯料的抓取、自动定位夹紧以及工件的回放等功能，可以实现数控车床的自动连续工作，操作简便，大幅度提高了工作效率和加工的自动化程度。

1.2气动四自由度机械手结构设计的意义

该机械手利用压缩空气作为动力源，取之不尽，用之不竭，可以节约能源，气体不易堵塞流动通道，用过后可随时排入，不污染环境，成本较低，维护保养容易气动动作迅速，反应快，气动机械手与气动夹具相互配合工作，能够实现数控车床的自动连续工作，从而提高了加工成本，降低了工人的劳动强度。

第2章总体方案设计

2.1方案设计概述

机械产品的设计过程由三个相互影响的步骤组成，称为方案设计阶段（或称概念设计阶段）、技术设计阶段（或称初步设计阶段）和施工设计阶段（或称详细设计阶段）。

2.1.1方案设计

方案设计阶段的主要任务是根据计划任务书，在经调研进一步确定设计要求的基础上，通过创造性思维和试验研究，，克服技术难关，经过分析、综合与技术经济评价，使构思和目标完善化，从而确定出产品的工作原理与总体设计方案。

2.1.1.1明确设计要求

设计要求主要是功能要求、使用性能要求、工况适应性要求、宜人性要求、外观要求、环境适应性要求、工艺性要求、法规与标准化要求、经济性要求等等。

2.1.1.2功能分析

技术系统是由构造体系和功能体系构成的。

建立构造体系是为了实现功能要求。

对技术系统从功能体系入手进行分析，有利于摆脱现有结构的束缚，形成新的更好的方案。

功能分析的目标是通过分析，建立对象系统的功能结构，通过局部功能的联系，实现系统的总功能。

功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理设计方案的过程。

这个过程往往不是一次能够完成的，而是随着设计工作的深入进行不断修改、完善。

2.1.1.3功能原理设计

此阶段的落脚点是为不同的功能、不同的工作原理、不同的运动规律匹配不同的结构，这就是通常所说的型、数综合，而且通过上述的排列组合，会出现非常多的功能原理解，产生很多的运动方案，这就为优选方案提供了基础。

2.1.2技术设计

技术设计的任务是在功能原理设计所取得的优化方案的基础上，使原理构思转化为具有实用水平的具体结构，其中包括确定基本技术参数，进行总体布局设计和结构装配图设计。

对所设计的产品应满足如下要求：

制造和维护经济、操纵方便安全、可靠性高、使用寿命合理。

为了达到这些要求，零件应满足强度、刚度、抗振性、耐磨性、耐热性和工艺性等原则。

2.1.2.1确定基本技术参数

（1）主要尺寸参数工作尺寸标志着机械的工作范围和主要性能，一般包括工作尺寸、外形尺寸、工作装置尺寸等。

应根据产品需满足的工艺要求及尺寸范围来确定。

（2）质量参数包括整机质量、各主要部件质量、质心位置等。

（3）功率参数（包括运动参数、动力参数）机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于机器要实现的工艺要求。

机器的动力参数包括承载力、原动机功率。

工作装置是载荷直接作用的构件，力参数是其设计计算的依据，也是机械性能的主要标志。

原动机功率反映了机械的动力级别，它与其他参数有函数关系，常是机械分级的标志，也是机械中各零部件的尺寸设计计算的依据。

（4）技术经济指标包括机械的生产率，机械的精度、效率、寿命、成本等。

技术经济指标是评价机械设备性能优劣的主要依据，也是设计应达到的基本要求。

2.1.2.2机械结构设计

机械结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上给出具体的结构图，结构设计包括机器的总体结构设计和零部件的结构设计。

结构设计的基本原则是明确（功能明确、工作原理明确、使用工况及应力状态明确）、简单、安全（结构构件安全、功能安全、运行安全、工作安全和环境安全）。

另外，结构设计原理提供了用具体结构实现预定功能的策略和方法。

2.2驱动方式的确定

驱动系统是带动操作机各运动副的动力源，常用的驱动方式包括电动机驱动、液压驱动和气压驱动三种。

2.2.1电动机驱动

电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动（或直接）驱动操作机构以获得各种运动。

其应用类型大致可分为普通交、直流电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。

普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。

伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。

交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。

电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。

电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、起动力矩大等优点而被广泛选用。

2.2.2气压驱动

气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的。

气压传递的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转化为压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。

气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。

气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显现出极大的优越性。

这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动传动相比有以下特点。

气压传动的优点：

（1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。

气体不易堵塞流动通道，用过后可将其随时排入大气中，不污染环境；

（2）空气的特性受温度影响小。

在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。

且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；

（3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送；

（4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.02～0.3s就可达到工作压力和速度。

液压油在管路中流动速度一般为1～5m/s，而气体的流速最小也大于10m/s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速；

（5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。

液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；

（6）气动元件可靠性高、寿命长。

电气元件可运行百万次，而气动元件可运行2000～4000万次；

（7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越；

（8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。

气压传动的不足之处：

（1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大；

（2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。

在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。

气压传动装置的输出力不宜大于10～40kN；

（3）气动装置中的信号传递速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。

同时实现生产过程中的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；

（4）噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。

在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。

其中不少气动系统应用于机器人，多用于开关控制和顺序控制的机器人。

气动执行元件既有直线气缸也有旋转气动马达。

气动系统的工作介质是压缩空气，气动控制阀简单、便宜，而且工作压力也低的多。

多数气动驱动用来完成挡块间的运动。

气动系统的主要优点之一就是操作简便、易于编程，所以可以完成大量的点位搬运操作的任务。

但是用气压伺服实现高精度很困难。

不过在能满足精度的场合，气压驱动在所有的机器人及机械手中是重量最轻的，成本也最低。

安装在多路接头上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。

综上所述，并结合具体设计的上下料机构抓取工件的尺寸、大小等，本设计最终采用气压驱动。

2.3本章小结

随着机械制造业的发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。

为了更有效地提高产品质量、生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件，数控机床的使用越来越普遍，因而对自动上下料机构的设计也就变得越来越重要。

本设计中的自动上下料机构的工作对象是套类零件，主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手和动力及控制系统组成。

其中，自动安装夹具为自动定心夹紧的涨胎心轴，机械手是单臂式的，动力及控制采用气压驱动和电气控制。

普通气缸驱动的机械手可实现柔性自动上下料，送料精度较高，能节约人力、降低加工成本。

气动机械手与气动夹具相辅相成实现自动上下料，不但省事，减少投资，节约时间，而且工作可靠。

第3章夹紧气缸的设计

3.1夹紧力的确定

（1）计算工件在车削时所受的切削分力Pz

根据相关资料，车削外圆时，计算Fc的经验公式如下：

Fc=cFCapXfcfyFCKFC（3—1）

式中，cFC—与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数；

ap—背吃刀量，mm；

f—进给量，mm/r；

xFC，yFC—指数；

KFC—切削条件不同时的修正系数。

根据经验公式从有关资料中查出，用γo=15°，Kr=75°的硬质合金车刀车削结构钢件外圆时，

cFC=1609，xFC=1，yFC=0.84，ap=1mm，f=0.1mm/r

其中,指数xFC比yFC大，说明背吃刀量ap对Fc的影响比进给量f对Fc的影响大。

那么，Fc=1609×1×（0.1）0.84×1=232.57N

则，Pz=Fc=232.57N

（2）工件与心轴在轴向方向与圆周方向的摩擦系数为：

f1=f2=0.2

（3）安全系数K=2.5

（4）为防止工件在车削时，在切削分力Pz作用下打滑而转动所需的轴向拉力为：

（3—2）

3.2夹紧气缸的设计计算

（1）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=3627.7N，得：

活塞式气缸（双作用气缸）内径：

（3—3）

式中，p—气缸工作压力，Pa；

η—气缸的机械效率；

d—活塞杆直径,mm。

代入数值得：

根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=100mm。

（2）活塞杆直径的确定与验算

取活塞杆直径d=25mm，按下式进行验算：

（3—4）

式中，p—活塞杆承受的轴向力，N；

[σ]—活塞杆材料的需用应力，N。

代入数值，得

，成立。

故活塞杆直径满足强度要求。

（3）气缸筒壁厚的确定与验算

气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t=10mm,根据下式进行强度验算：

（3—5）

式中，t—气缸筒的壁厚，mm；

P—最高工作压力，Pa；

D—气缸筒内径，mm；

[σ]—气缸筒材料的许用应力，Pa。

代入数值得

，成立。

故该缸筒壁厚满足强度要求。

（4）气缸进排气口螺孔直径的确定

气缸进排气口螺孔的大小与空气消耗量（缸径、活塞杆直径、活塞的平均速度等）及供气压力均有关系，故难于准确计算。

根据机械设计手册，按缸径查取。

根据D=100mm，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M14×1.5。

（5）活塞的厚度取决于密封圈的种类和排数。

气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间均选用0形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。

（6）连接螺栓直径的确定与验算

根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=10mm，按下式进行验算：

（3—6）

式中，A—气缸的有效截面积，mm2；

P—气缸的工作压力，Pa；

σb—螺栓材料的抗拉强度，Pa；

x—需用应力与抗拉强度之比，取

；

n—螺栓数目。

代入数值，得：

，成立。

故螺栓直径符合要求。

3.3本章小结

车床夹具装在机床主轴上并带动工件旋转，加工回转面、端面等。

以外圆定位的车床夹具，如卡盘、卡头；以内孔定位的车床夹具，如各类心轴；以中心孔定位的车床夹具，如各类顶尖、

拨盘等。

本设计中夹具以内孔定位，故采用心轴与弹性筒夹组合而成。

为保证加工表面的形状、位置精度，夹具与主轴的联结的定心精度要高，定心方式要与选用机床主轴端部结构相符，鼎新后再加以压紧或拉紧，保证可靠和安全。

车床夹具是在高速回转，即受切削力又受惯性力作用，因此夹紧力必须考虑充分且大小足够，必须有可靠的自锁性。

第4章机械手设计

4.1运动分析

套类零件自动线大多数为一台机床配备两台结构完全相同的单臂机械手，分别承担工件的上下料运动。

也有设计成在一台机械手上采用了两只机械臂的形式，这样一台双臂机械手就能承担两台单臂机械手的工作。

在本设计中，为了减少机械手的数量同时由于要加工的零件尺寸和质量不大，仅采用一台单臂机械手来承担工件的上下料运动。

图4-1机械手机构简图

如图4-1所示，本设计所采取的结构中，机械手工作时，首先机械手手臂伸长，手爪从料台夹紧工件后，手臂上仰，然后机身逆时针旋转180°，将工件送入数控机床夹具上夹紧，手臂缩回后俯下到料台高度完成上料过程，此时数控机床开始对工件进行加工。

当机床加工完工件后，机械手手臂开始上仰一定角度后，手臂伸出到机床主轴中心线的高度，然后手爪