机械创新设计—气动机械手.docx

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1、机械创新设计一气动机械手2010-2011第2学期姓名：班级：指导教师：成绩：日期：2011年7月-4L-A-刖百工业机器人由操作机（机械本体）、操纵器、伺服驱动系统与检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动操纵、可重复编程、能在三维空间完成各类作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳固、提高产品质量,提高生产效率，改善劳动条件与产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、操纵论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人

2、并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长与机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应与分析推断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业与非产业界的重要生产与服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹与要求实现自动抓取、搬运或者操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称之“工业机械手二生产中应用机械手能够提高生产的自动化水平与劳动生产率:能够减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体与放

3、射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，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、装配与轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，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。随着工业技术的进展，制成了能够独立的按程序操纵实现重复操作，适用范围比较广的“程序操纵通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，习惯性较强，因此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。才商5第早机械手.71. 1机械手的构成与分类7第二章机械手的设计方案131.1 机械手的座标型式与自由度141.2

4、 机械手的手部结构方案设计152. 3机械手的手腕结构方案设计153. 4机械手的手臂结构方案设计154. 5机械手的驱动方案设计165. 6机械手的操纵方案设计166. 7机械手的要紧参数162. 8机械手的技术参数列表17第三章手部结构设计193. 1手部设计19第四章手腕结构设计284. 1手腕的自由度284.2手腕的驱动力矩的计算29第五章手臂结构设计335. 1手臂伸缩与手腕回转部分345. 2手臂升降与回转部分375. 3手臂伸缩气缸的设计385. 4手臂伸缩、升降用液压缓冲器425. 5手臂回转用液压缓冲器42第六章气动系统设计446. 1气压传动系统工作原理图44第七章机械手的

5、PLC操纵设计467.1可编程序操纵器的选择及工作过程467. 2可编程序操纵器的使用步骤487.3机械手可编程序操纵器操纵方案49结论52本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的构成与分类，机械手的自由度与座标型式，气动技术的特点，PLC操纵的特点及国内外的进展状况。本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式与自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构与吸附式手部结构;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与回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器与手臂回转用液压缓冲器。设计出了机械手的气动系统，

6、绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编程序操纵器对机械手进行操纵，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序操纵器的操纵方案，画出了机械手的工作时序图与梯形图，并编制了可编程序操纵器的操纵程序。关键词：工业机器人，机械手，气动，可编程序操纵器(PLC)ABSTRACTThisarticlebrieflyintroducestheconceptofindustrialrobots,robotformationandclassificationofdegreesoffreedomandthecoordinatesofthemanipulatormodel,thecharacter

7、isticsofpneumatictechnology,PLCcontrolfeaturesandstateofdevelopmentathomeandabroad.Inthispaper,theoverallmechanicaldesigninhand,todeterminethecoordinatesofthemanipulatortypesanddegreesoffreedomtodeterminethetechnicalparametersofthemanipulator.Atthesametime,weredesignedmanipulatorgripper-typehandstru

8、ctureandtheadsorptionofhandstructure;designedmanipulatorwriststructure,calculatedthewristrotationrequireddrivingtorqueandtherotarycylinderdrivingtorque;designedamanipulatorarmstructure,designedtelescopicarm,liftingthehydraulicshockabsorberandtherotaryhydraulicshockabsorberarm.Designedpneumaticmanipu

9、latorsystem,renderingtheworkofthemechanicalhandpressuresystemschematic.Programmablelogiccontrollertocontrolthemanipulator,selecttheappropriatePLCtype,accordingtotheworkflowmanipulatordevelopedPLCcontrolprogram,drawatimingdiagrammanipulatorandladderwork,andpreparedtoprogrammedcontrollercontrolprogram

10、.KEYWORDS：industrialrobot,robot,pneumatic,programmablelogiccontroller(PLC)气动机械手第一章机械手概况机械手的构成与分类机械手的构成1.1机械手的构成与分类1.1.1机械手的构成机械手要紧由执行机构、驱动系统、操纵系统与位置检测装置等所构成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图I-I机械手的构成方框图执行机构（一）执行机构包含手部、手腕、手臂与立柱等部件，有的还增 设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不一致，可分为夹持式与吸附式手部。夹持式手部由手指（或者手爪）与传力机构所构成。手指是与物件直

11、接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型与平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或者是内孔）与物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的与曲面的:手指有外夹式与内撑式;指数有双指式、多指式与双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式与重力式等。吸附式手部要紧由吸盘等构成，它是靠吸附力

12、（如吸盘内形成负压或者产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘与电磁盘两类。关于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式与真空泵式。关于导磁性的环类与带孔的盘类零件，与有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁与交流电磁铁产生。用负压吸盘与电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸与重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式.手腕手臂立柱2手腕是连接手部与手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）。3、手臂手臂是支承

13、被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构与凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或者电机等）相配合，以实现手臂的各类运动。手臂可能实现的运动如下：鼓运动:如情、升朱横艇办基本运动,（回转醐如水平回去上下阖（即运动。驰艇动的帼（W赚运动）,手村复合运动两直线运动的船（SPfB）.【两回转瓯触合用空间曲面运礼手臂在进行伸缩或者升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩与扭转力矩与手

14、臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱与V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也能够是手臂的一部分，手臂的回转运动与升降（或者俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有的时候也可作横向移动，即称之可移式立柱。5、行走机构行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或者扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的与无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座驱动系统机座是机

15、械手的基础部分，机械手执行机构的各部件与驱动系统均安装于机座上，故起支撑与连接的作用。（二）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、操纵调节装置与辅助装置构成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动与机械传动。操纵系统（三）操纵系统操纵系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的操纵系统通常由程序操纵系统与电气定位（或者机械挡块定位）系统构成。操纵系统有电气操纵与射流操纵两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并经历人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其操纵系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动

16、作进行监视，当动作有错误或者发生故障时即发出报警信号。（四）位置检测装置位置检测装置操纵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操纵系统，并与设定的位置进行比较，然后通过操纵系统进机械手的分类行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。112机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式与操纵系统等进行分类。（一）按用途分机械手可分为专用机械手与通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立操纵系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠与造价低等特点，适用于大批量

17、的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手与“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立操纵系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不一致场合使用，驱动系统与操纵系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其操纵定位的方式不一致可分为简易型与伺服型两种:简易型以“开一关”式操纵定位，只能是点位操纵：伺服型具有伺服系统定位操纵系统，能够是点位的，也能够实现连续轨迹操纵，通常的伺服型通用机械手属于数控类型。（二）按驱动方式分1、液压传动机械手液压

18、传动机械是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其手要紧特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手使用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹操纵，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手气压传动机械是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手手。其要紧特点是:介质李源极为方便，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，工作速度的稳固性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重通常在30公斤下列，在同样抓

19、重条件下它比液压机械手的结构大，因此适用于高速、轻载、高温与粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手机械传动机械即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮与齿条、手间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的要紧特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手电力传动机械即有特殊结构的感应电动机、直线电机或者功率步手进电机直接驱动执行机构运动的机械手，由于不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手点位操纵连续轨迹操纵机械手的设计方案的运动速度快与行程长，保护与使用方便。此类机械

20、手目前还不多，但有进展前途。（三）按操纵方式分1、点位操纵它的运动为空间点到点之间的移动，只能操纵运动过程中几个点的位置，不能操纵其运动轨迹。若欲操纵的点数多，则必定增加电气操纵系统的复杂性。目前使用的专用与通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹操纵它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于操纵之下，能够实现平稳与准确的运动，同时使用范围广，但电气操纵系统复杂。这类工业机械手通常使用小型计算机进行操纵。第二章机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放与搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间与灵活的自由度及在任

21、意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序与工艺，并满足系统功能要求机械手的座标型式与自由度与环境条件；明确工件的结构形状与材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸与质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行操纵的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性与专用性，并能实现柔性转换与编程操纵.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或者中、小批生产的、能够改变动作程序的自动搬运或者操作设备，动强度大与操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大与操作单调频繁的生产场合。

22、2.1 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不一致运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式与关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，使用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，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图2-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。ITM1I/4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

23、机械手的手部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，因此手腕务必设有回转运动才可满足工作的要求。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。机械手的手腕2.4机械手的手臂结构方案设计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、左右回转与升降（或者俯仰）运动。手臂的回转与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。手臂的各类运动由气缸来实现。机械手的手臂结构方案设计机械手的驱动方案设计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，阻力缺失与泄漏较小，成本低廉因此本机械手使用气压传动方式。2.6

24、 机械手的操纵方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位操纵，因此我们使用可编程序操纵器（PLC）对机械手进行操纵。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。机械手的操纵2.7机械手的要紧参数方案设计机械手的要紧1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。2、基本参数运动速度是机械手要紧的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的要紧因素是参数手臂伸缩及回转的速度。机械手的技术该机械手最

25、大移动速度设计为1.2ms,最大回转速度设计为1200s,平均移动速度为lms,平均回转速度为900。/so机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，由于平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程与工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或者站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程与工作半径，必定带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜使用自动传送装置为好。根据统计与比较，该机械手手臂的伸缩行程定为60OnmI,最大工作半径约为1500mm,手臂安装前后可调200mio手臂回转

26、行程范围定为2400（应大于180否则需安装多只手臂），又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5Imm2.8机械手的技术参数列表一、用途：用于100吨以上冲床上下料。二、设计技术参数：1、抓重10公斤（夹持式手部）5公斤（气流负压式吸盘）2、自由度数P=-NRP=，N=49R0(N)参数列表4个自由度3、坐标型式圆柱坐标4、最大工作半径1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂运动参数伸缩行程600mm伸缩速度500mms升降行程200mm升降速度300mms回转范围0240回转速度

27、907、手腕运动参数回转范围0180回转速度180o/s8、手指夹持范围棒料:80150mm片料：面积不大于0.5mZ9、定位方式行程开关或者可调机械挡块等10、定位精度0.5mm11,缓冲方式液压缓冲器12.驱动方式气压传动13、操纵方式点位程序操纵（使用PLO=1563(N)c二迎f8D13n=3677.46(Nm)第三章手部结构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。3.1手部设计3.1.1手指的形状与分类仙+七D = LI PM =65. 23 (mm)活塞杆 直径d=18mm夹持式是最常见的

28、一种，其中常用的有两指式、多指式与双手双指式：按手指夹持工件的部位又可分为内手部结构设计手指的形状与分类卡式（或者内涨式）与外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型与移动型（或者称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能习惯不一致直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题（一）具有足够

29、的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或者操作过程中所产生的惯性力与振动，以保证工件不致产生松动或者脱落。（二）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称=DPli2=6.5mm设计时考虑的之手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入D=80mm几个问题或者脱开，若夹持不一致直径的工件，应按最大直径的工件考虑。关于移动型手指只有开闭幅度的要求。（三）保证工件准确定位为使手指与被夹持工件保持准确的相对位置，务必根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。比如圆柱形工件使用带“V”形面的手指，以便自动定心。（四）具有足够的强度与刚度手指除受

30、到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力与振动的影响，要求有足够的强度与刚度以防折断或者弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。（五）考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们使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，其结构如附图所示.3. 1.3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3-2所示，其工件重量G=IO公斤，“V”形手指的角度28=120,b=120mm,R=24mm,摩擦系数为f-0.10。手部夹紧气缸的设计手

31、部驱动力计算气缸的直径(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：P=生NR(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：N=0.5Gg(6-。)=0.5XloXlg(60-542)k5(N)因此：P=aN=490(N)R(3)实际驱动力：国际由于传力机构为齿轮齿条传动，故取94,并取Kl=I.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g时，则：K.=1+-=2g因此：15?P实际=490x*1563(N)因此夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N02、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力务必克服弹簧的反作用力与活塞杆工作时的总阻力，其公式为：F1=J

32、L-Ft-F.4r2式中：F1活塞杆上的推力，NF1弹簧反作用力，NFz气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算：E=g(+s)C二迎f8D13wDt=D2-J1式中：Cf一一弹簧刚度，N/m1.弹簧预压缩量，mS活塞行程，mdl弹簧钢丝直径，mDf弹簧平均直径，mD2弹簧外径，mn弹簧有效圈数D=16.92(cm)G弹簧材料剪切模量，通常取G=79.4X1护Pa在设计中，务必考虑负载率几的影响，则：FL空M由以上分析得单向作用气缸的直径：4月+月D=LPrl4代入有关数据，可得:C二迎f8Di3w=79.4109(3.5lO3y(30lO3)15=3677.46(Nm)

33、E=.(+s)=3367.6x60x10-3=220.6N47,+因此：D=ZYPrl)=4(490+220.6)/(;T0.51060.4)2=65.23(hw)查有关手册圆整，得D=65mm由dD=0.20.3,可得活塞杆直径：d=(0.20.3)D=1319.5mm圆整后，取活塞杆直径d=18mm校核，按公式一b乃/4，lj有：d(Ftf11其中M=120MPa,Fz=750N则：d(4x490/X120)=2=2.2818满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，务必有一定厚度。通常气缸缸筒壁厚与内径之比小于或者等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：=DPp2式中：6

34、缸筒壁厚mmD气缸内径，咖缸筒壁厚的设计气流负压式吸盘PP一一实验压力，取PP=L5P,Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为：=DPr2=656105（23106）103=6.5mm取S=7.5mm,则缸筒夕卜径为:D=65+7.52=80nuno3.2气流负压式吸盘气流负压式吸盘是利用吸盘（即用橡胶或者软性塑料制成皮腕）内形成负压将工件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张与薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零件等，特别是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更为明显。气流负压式与钳爪式手部相比较，气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀，但要求所吸附表面

35、平整光滑、无孔与无油。按形成负压（或者真空）的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式与挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟使用喷射式气流负压吸盘。喷射式气流负压吸盘的工作原理如图3-3所示，根据流体力学，气体在稳固流淌状态下，单位时间内气体通过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单的情况下，低流速（高压强）截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速（低压强）截面的喷嘴应当具有小面积。因此，压缩空气由喷嘴进口处A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐步收缩，而气流速度逐步增大，当沿气流流淌方向截面收缩到最小处X时（即临界面积），流速达到临界速度即音速，如今压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即P0.52

36、8P,。为了使喷嘴出口处的压力%低于Pk,务必在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样能够在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使C处的气体不断的被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在C处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。图3-4所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将被抽气体带走。当间隙太小时，喷射气流与被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率；当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多，这就

37、使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙能够调节，以便喷嘴有效地工作。在图3-4中，喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是能够调节的，以便改变间隙的大小。下面计算吸盘的直径.吸盘吸力的计算公式为：P=MD24KlK2K3式中:P吸盘吸力（N）,本机械手的吸盘吸力为50N,故P=50N;D吸盘直径（cm）.N分吸盘数量，本机械手吸盘数量为1;K1吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取K,月2-2,在此取Kl=L5;K2工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些;若装有分料器，则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同时还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而

38、产生的惯性力影响。因此，应根据工作条件的不一致，选取工作情况系数，通常可在（13）的范围内选取。在此，取K、=2:K3一一方位系数，吸盘垂直吸附时，则K3=lf,f为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，手腕结构设计手腕的自由度取户0.50.8;当吸盘水平吸附时，取K3=Io在此，取长3二5.代入数据得：P4KXK2%(B=o得：R_GlIl+G2%-Gah式中：G2手部的重量(N)kla2a3如图4-1所示的长度尺寸(Cm).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。4.2.2回转气缸在机械手的手腕回转运动中所使用的回转缸

39、是单叶片回转气缸，它的二理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J气缸的压力P与驱动力矩M的关系为：pb(R2-r2)/、M=L(4-9)2一土2M或者：P(r2)图4-2回转气缸简图式中：M-回转气缸的驱动力矩(N.cm);P-回转气缸的工作压力(N.cm);R-缸体内壁半径(cm);1.输出轴半径(Cm);b一动片宽度(cm).上述驱动矩与压力的关系式是关于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P1

40、与背压P2之差第五章手臂结构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、左右回转与升降(或者俯仰)运动。手臂的回转与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。手臂的各类运动由气缸来实现。手臂结构设计手臂伸缩与手腕回转部分结构设计5.1 手臂伸缩与手腕回转部分5.1.1 结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动使用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，气压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或者升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，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，