氣動翻轉機械手部件設計[動畫仿真][PPT]
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浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
班 級
09機械設計制造及其自動化（4）班
姓 名
楊永賀
課題名稱
氣動翻轉機械手部件設計
目 錄
1 選題的背景與意義
1.1背景與意義
1.2國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
2 發(fā)展趨勢
2.1重復高精度
2.2模塊化
2.3無給油化
3 研究的基本內容
3.1氣動翻轉機械手的結構設計
3.2氣動翻轉機械手的三維建模、裝配
4 研究方案、可行性分析及預期研究成果
4.1研究思路方案
4.2可行性分析
5 研究工作計劃
參考文獻
成績：
答 辯
意 見
答辯組長簽名：
年 月 日
系
主
任
審
核
意
見
簽名：
年 月 日
氣動翻轉機械手設計的設計與分析
楊永賀
(機械設計制造及其自動化09(4)班 B09370126)
1 選題的背景與意義
1.1 背景與意義
氣動機械手的驅動力為氣壓，機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。所以氣動機械手能夠降低勞動強度，提高生產效率。但它的缺點也很明顯，因為氣體具有很大的可壓縮性, 要做到氣動機械手精確定位難度很大, 尤其是難以實現(xiàn)任意位置的多點定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負載的限制。傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能靠機械定位置的調定位置而實現(xiàn)可靠定位, 并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調定, 經常無法滿足許多設備的自動控制要求[1-2]。
近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬， 尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展, 對氣動技術提出了更多更高的要求;由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內外都在大力研發(fā)氣動機械手[1]。
目前生產線上的氣動翻轉機械手一個運動進程只能實現(xiàn)一次抓取和翻轉的功能，效率太低。本次設計針對這個缺點，設計出了一個運動進程能實現(xiàn)兩次抓取和翻轉，提高了工作效率，加快生產效率。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 國外氣動機械手狀況
從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產值比約為9：1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6：4, 甚至接近5：5。
90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學院Y.Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人--"阿基里斯"六腳勘測員，也被稱為FESTO的"六足動物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產的氣動元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個不同方向控制機器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。每個氣缸都裝備了調節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅動部件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內置在機器人體內，由FPC101-B可編程控制器控制。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關閉電源時，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內檢測到障礙物，機器人也會自動停止[13]。
由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它能在兩個相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產生旋轉步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控[7]。
國外的設計人員對于機械手的設計理念已經非常成熟。Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復雜性任務三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設計指導方針也被描述進去了。Pham等人總結了機械手在不同應用環(huán)境下設計方案應該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務,(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件?！俺煞帧边@個變量包括幾何、形狀、重量、表面質量和溫度[5]，這些因素都需要考慮好。對于可重構系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動和放置都要考慮。在合適的地方設計核實的機械手，必須考慮所有的因素，而且驗證性的測試必須要多做。為了減少疲勞效應，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。
1.2.2 國內氣動機械手情況
我國改革開放以來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動元件產值的年第增率達24.2，高于中國機械工業(yè)產值平均年遞增率10的水平。雖然市場和應用發(fā)展迅速，但是我國的氣動技術與歐美、日本等國相比，還存在著相當大的差距。我國在氣動技術的研究與開發(fā)的方面，缺乏先進的儀器與設備，研究開發(fā)手段落后，技術力量差，每年問世的新產品數(shù)量極其有限。在許多開發(fā)與研究領域還是空白，因此必須跟蹤國外氣動技術的最新發(fā)展動向，以減小差距，提高我國氣動技術的水平[8]。
2 發(fā)展趨勢
2.1 重復高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定[15] 。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展, 以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2.2 模塊化
有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合
導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的
滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對機械手中的移動模塊。
2.3 無給油化
為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步, 新型材料(如燒結金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長[16]。
2.4 機電氣一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術的發(fā)展, 又使PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手[17-22]。
3 研究的基本內容
本次畢業(yè)設計中主要完成的內容包括：
3.1 氣動翻轉機械手的結構設計
對氣動翻轉機械手的抓取系統(tǒng)、翻轉系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進行設計，包括抓取部件、翻轉部件及連接部件和氣動執(zhí)行部件。根據(jù)氣動執(zhí)行部件來驅動抓取部件中的齒條運動，帶動齒輪、齒條一起運動，最終造成兩個齒條的相互運動，實現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉動，再通過翻轉部件實現(xiàn)兩個抓取物件同時翻轉的功能。
下面是可能方案一：
下面是可能方案2：
3.2 氣動翻轉機械手的三維建模、裝配
氣動翻轉機械手各部分的具體結構設計，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進行裝配分析，進一步改進結構設計。分別對各個零件進行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運動機構卡死等問題，如果有的話必須調整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進行投影二維圖紙并標注，某些重要的零部件要進行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。
3.3 氣動翻轉機械手的運動學仿真
通過建立的三維模型，進行運動學仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅動和連接系統(tǒng)三個階段進行動力學分析。運動仿真時要看能不能運動的起來，確保氣動翻轉機械手實現(xiàn)翻轉和氣動的功能。
4 研究思路方案、可行性分析及預期成果
本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動翻轉機械手的設計仿真，并對其進行初步的運動學分析。
4.1 研究思路方案
具體思路方案包含以下三個方面：
4.1.1 根據(jù)抓取物件大小與形狀對氣動翻轉機械手進行結構設計
包括整體移動系統(tǒng)、氣動驅動系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)、連接及可翻轉系統(tǒng)，基于以上理論可進行對氣動翻轉機械手機構原理分析。
4.1.2 氣動機械手Pro/ E三維建模、裝配
目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。
Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產品,是和實物完全相同的數(shù)字產品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。
運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的氣動翻轉機械手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成氣動翻轉機械手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。
4.1.3 氣動翻轉機械手Pro/ E運動學仿真分析
運動仿真是機構設計的一個重要內容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。
本次畢業(yè)設計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動翻轉機械手的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉機械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉機械手的裝配，設置機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉機械手的仿真模型。
4.2 可行性分析
抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計和研究是機械手方面研究的基礎。因此，對具有理想結構的抓取和翻轉系統(tǒng)進行運動學和動力學、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進行抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計研究，從幾何、運動學、動力學及結構關系等不同角度對機械手進行研究, 使機械手能比較完美的在抓取和翻轉物體。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行氣動翻轉機械手設計與仿真，在基本原理上是可行的。
本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識，以及Pro/ E設計工具，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。
指導老師在氣動翻轉機械手的相關研究方面具有很多成功的經驗，本設計的研究方法思路經過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。
4.3 預期研究成果
設計出氣動翻轉機械手，完成三維建模和二維圖紙，并對其中一些零部件進行剖視建模和仿真。通過仿真分析，保證設計能較好的滿足設計要求。
5 研究工作計劃
表1 研究工作計劃
起止時間
內容
2012.11.15~2012.12.10
調研、信息匯總，文獻查閱分析
2012.12.10~2012.12.31
外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識
2013.01.01~2013.01.10
提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯
2013.01.11~2013.01.20
開題答辯
2013.01.21~2013.03.01
氣動翻轉機械手的整體方案設計
2013.03.02~2013.03.28
氣動翻轉機械手抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計及零部件設計
2013.03.29~2013.04.11
三維CAD建模、裝配、三維運動學分析仿真
2013.04.12~2013.04.24
結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫
2013.04.25~2013.05.02
完成并提交畢業(yè)論文
2013.05.03~2013.05.10
整理材料準備答辯
參考文獻
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本科畢業(yè)設計（論文）
題 目 氣動翻轉機械手部件設計
學 院 機械與自動控制學院
專業(yè)班級 09機械設計制造及其自動化（4）班
姓 名 楊永賀 學 號 B09370126
指導教師 李志剛
系 主 任 胡明
二O 一三 年 五 月 二十一 日
浙 江 理 工 大 學
機械與自動控制學院
畢業(yè)論文誠信聲明
我謹在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。論文主體均由本人獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產權的情況，本人愿意承擔相應的責任。
聲明人（簽名）：楊永賀
2013年 5月 29日
摘 要
氣動機械手是以氣壓為驅動力的機械手。機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。所以氣動機械手能夠降低勞動強度，提高生產效率。但它的缺點也很明顯，因為氣體具有很大的可壓縮性, 要做到氣動機械手精確定位難度很大, 尤其是難以實現(xiàn)任意位置的多點定位；而且可壓縮性也帶來不能承受過重的負載的限制。傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)只能靠機械定位置的調定位置而實現(xiàn)可靠定位, 并且其運動速度只能靠單向節(jié)流閥單一調定, 經常無法滿足許多設備的自動控制要求。
本課題經過深刻的研究發(fā)現(xiàn)，目前生產線上的氣動翻轉機械手一個運動進程只能實現(xiàn)一次抓取和翻轉功能的，感覺這種機械手效率太低。所以本次設計針對這個缺點，設計出了一種氣動翻轉機械手，它在一個運動進程能實現(xiàn)兩次抓取和翻轉，提高了工作效率，加快生產效率。全文由五章構成：
關鍵詞：氣動裝置；機械手;翻轉裝置；夾瓶器；
Abstract
Pneumatic manipulator is a robot which is based on Pressure-driven. The robot is the combination of expertise and expertise of an anthropomorphic machine electro-mechanical device, not simply instead of manual labor. It owns both the rapid response to the environment state and the ability of a long continuous operation, high accuracy, and the resistance to harsh environments. It is mainly used to crawl at a fixed program, and carry objects and operate tools automatically. So Pneumatic Manipulator can reduce labor intensity, improve production efficiency. However, its disadvantages are obvious. Pneumatic Manipulator getting the precise positioning is very difficult, especially achieving multi-point positioning to anywhere because of the great compressibility of gas. Also, the compressibility limits a load to be too heavy. Traditional pneumatic system only relies on the set position of the mechanical giving location and reliable positioning and velocity which relies on a single one-way throttle. So it is often unable to meet many requirements of the automatic control equipment.
After a deep study, we found that the pneumatic flip robot on the current production line can only be achieved crawling and flip function once in a movement process whose efficiency is too low. So we design a pneumatic flip robot which can achieve the two crawling and flipping in a motion process. There is no doubt that the pneumatic flip robot can improve work efficiency and speed up the production efficiency.
Key words: pneumatic devices; robot; turning device; clip bottle;
目 錄
摘 要
Abstract
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2氣動機械手的發(fā)展 1
1.2.1國外氣動機械手狀況 1
1.2.2國內氣動機械手情況 3
1.3發(fā)展趨勢 3
1.3.1重復高精度 3
1.3.2模塊化 3
1.3.3無給油化 4
1.3.4 機電氣一體化 4
1.4 機械手夾持部件結構示意圖 4
1.4.1 外夾持型機械手 4
1.4.2 內夾持型機械手 5
1.5國內外氣動機械手設計舉例 5
1.5.1與模具切割相結合 5
1.5.2 機械手虛擬樣機 6
1.5.3 高精度機械手 6
第2章 氣動翻轉機械手總體設計 8
2.1 抓取系統(tǒng)的初步設計 8
2.2 翻轉系統(tǒng)的初步設計 8
2.2.1 錐齒輪電機翻轉 8
2.2.2 鏈輪鏈條氣缸翻轉 9
2.2.3 翻轉方案選擇 9
2.3氣動翻轉機械手的三維建模、裝配思路 10
2.3.1各部分零件設計 10
2.3.2 氣動翻轉機械手的運動學仿真 10
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 11
第3章 氣動翻轉機械手重要零部件設計校核及其裝配 12
3.1氣缸的設計和校核 12
3.1.1 夾緊系統(tǒng)氣缸設計和校核 12
3.1.2 翻轉系統(tǒng)氣缸設計和校核 14
3.2齒輪設計和校核 15
3.2.1齒輪參數(shù)的選擇 15
3.2.2齒輪幾何尺寸確定 15
3.2.3齒根彎曲疲勞強度計算 16
3.3齒條的設計和校核 18
3.3.1齒條的設計 18
3.4 固定機架上的軸設計和校核 20
3.4.1求輸入軸上的功率、轉速和轉矩 20
3.4.2求作用在齒輪上的力 20
3.4.3 初步確定軸的最小直徑 21
3.4.4軸的結構設計 21
3.4.5精確校核軸的疲勞強度 23
3.5圓錐滾子軸承的設計和校核 25
3.6鍵連接設計和校核 26
3.6.1輸入軸鍵計算 26
3.6.2中間軸鍵計算 26
3.6.3輸出軸鍵計算 27
3.7聯(lián)軸器的設計和校核 27
第4章 三維建模和運動仿真 29
4.1 整體裝配圖 29
4.2夾緊系統(tǒng)裝配圖 29
4.3氣缸推動和翻轉系統(tǒng)裝配圖 30
4.4 氣缸推動夾緊裝置系統(tǒng)裝配圖 30
第5章 總結與展望 32
5.1總結 32
5.2展望 32
參考文獻 33
致 謝 35
浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1 引言
近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠; 氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展, 對氣動技術提出了更多更高的要求;由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內外都在大力研發(fā)氣動機械手。
1.2氣動機械手的發(fā)展
1.2.1國外氣動機械手狀況
從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產值比約為9：1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6：4, 甚至接近5：5。
90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學院Y.Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人--"阿基里斯"六腳勘測員，也被稱為FESTO的"六足動物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產的氣動元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄--阿基里斯。它能在人不易進入的危險區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進行地形偵察。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個不同方向控制機器人的運動，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。每個氣缸都裝備了調節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機械驅動部件在運動時保持平穩(wěn)，即在無級調速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y內置在機器人體內，由FPC101-B可編程控制器控制。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關閉電源時，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點
35
浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）
上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內檢測到障礙物，機器人也會自動停止。
由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它能在兩個相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產生旋轉步進運動。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。操作者可對機器人進行監(jiān)控。
國外的設計人員對于機械手的設計理念已經非常成熟。Wright等人分析比較了機械手與人手抓取系統(tǒng)，并把機械手分成與機器人手臂和控制系統(tǒng)相兼容、安全抓取和握持對象、準確的完成復雜性任務三種類別。許多工廠的機械手的例子和機械手設計指導方針也被描述進去了。Pham等人總結了機械手在不同應用環(huán)境下設計方案應該如何選擇。在他們的研究中，影響機械手如何選擇的變量如下：（a）成分，（b）任務,(c)環(huán)境，（d）機械臂和控制條件?！俺煞帧边@個變量包括幾何、形狀、重量、表面質量和溫度，這些因素都需要考慮好。對于可重構系統(tǒng)，他們以形狀和大小為標準又把這個變量分成了其他家族。對于“任務”這個變量，除了機械手的類型、不同組成部分的數(shù)量、準確性及周期需要考慮外，還有主要的操作處理如抓取、握持、移動和放置都要考慮。在合適的地方設計核實的機械手，必須考慮所有的因素，而且驗證性的測試必須要多做。為了減少疲勞效應，pham等人開發(fā)了一個用于選擇機械手的專家系統(tǒng)。瑞典EIET ROIUX 公司于最近創(chuàng)造一種新產品一一氣動機械手。這種機械手以壓縮空氣為動力, 小巧靈便,它裝在一個圓形豎柱上, 該圓柱又能上下移動0 至150 mm , 左右移動350mm，機械手的最高速度為1000m/s，定位精度為500m/s;兩個機械手各能舉起5kg重物。
圖1-1 瑞典發(fā)明的氣動機械手
1.2.2國內氣動機械手情況
我國改革開放以來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。1986年至2003年間，氣動元件產值的年第增率達24.2，高于中國機械工業(yè)產值平均年遞增率10的水平。雖然市場和應用發(fā)展迅速，但是我國的氣動技術與歐美、日本等國相比，還存在著相當大的差距。我國在氣動技術的研究與開發(fā)的方面，缺乏先進的儀器與設備，研究開發(fā)手段落后，技術力量差，每年問世的新產品數(shù)量極其有限。在許多開發(fā)與研究領域還是空白，因此必須跟蹤國外氣動技術的最新發(fā)展動向，以減小差距，提高我國氣動技術的水平。
1.3發(fā)展趨勢
1.3.1重復高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展, 以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
1.3.2模塊化
有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備, 特別是緊湊型CP 閥島, 它對分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特別對機械手中的移動模塊。
1.3.3無給油化
為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步, 新型材料(如燒結金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
1.3.4 機電氣一體化
由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術從“開關控制” 進入到高精度的“ 反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC 的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術的發(fā)展, 又使PLC 在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。
1.4 機械手夾持部件結構示意圖
1.4.1 外夾持型機械手
圖1-2為一種較簡單平行開閉手爪的結構。氣缸的活塞有壓縮空氣驅動，通過活塞桿7上的支點軸2帶動撥叉3轉動，再通過傳動軸4使手爪1沿導向槽做平行移動，圖中為雙作用氣缸，也可為單作用氣缸返回運動靠彈簧完成。該結構的特點是重量輕，體積小，最小型重量為75g，最大型為300g，因此，可以與小型機械手配套使用。
圖1-2 外夾持型鉸鏈式平行開閉手爪示意圖
1.4.2 內夾持型機械手
前面介紹的是外加持機械手，下面介紹一種內加持的機械手。圖1-3所示的基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機構的內夾持氣動機械手, 主要由氣壓缸、鉸桿1 和1c、杠桿2和2c組成。當壓縮空氣的方向控制閥處于圖1所示左位工作狀態(tài)時, 氣壓缸的左腔即無桿腔進入壓縮空氣, 推動活塞向右運動, 導致鉸桿1和1c的壓力角A變小, 通過角度效應第一次把輸入力放大, 然后傳遞到恒增力杠桿機構2和2c上, 再一次將輸入力進行放大, 變?yōu)閵A持工件的作用力F。當方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時, 氣壓缸的右腔即有桿腔進入壓空氣, 推動活塞向左運動, 夾持機構松開工件。
圖1-3 內夾持型機械手舉例
1.5國內外優(yōu)秀氣動機械手設計舉例
1.5.1與模具切割相結合
第一個是鄭州輕工業(yè)學院和紡織工學院的老師設計的機械手，如圖1-4所示，它是與磨具切割想配合的一種設計。如圖所示，機械手由手部——手指（3）和夾緊氣缸（1）、手腕——拉伸臂（2）和拉伸氣缸（4）、手臂——剝離臂（5）和剝離氣缸（6）以及底座（D）組成。機械手的手部采用單支點回轉式活動手指配合以固定手指，在夾緊氣缸（1）的作用下夾持模組橡膠襯圈上的“凸耳”。為使手指在夾持襯圈的過程中不出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象，特在手指端部加工有鋸齒型斜槽，拉伸臂（2）和剝離臂（5）在后部鉸支的拉伸氣缸（4）和剝離氣缸（6）的作用下，分別繞支點（B）和支點（C）擺動，同時在切割裝置的配合下，完成襯圈的拉伸、切割和剝離任務。機械手通過底座（D）與自動剝離機有機相連，與剝離機其他機構協(xié)調動作[9]。
圖1-4 氣動式機械手
1.5.2 機械手虛擬樣機
第二種設計的新型氣動機械手的虛擬樣機如圖1-5所示,其中腰部轉動關節(jié)由比例流量閥式擺動氣缸實現(xiàn); 大臂和中臂之間的俯仰運動由比例流量閥驅動單出桿雙作用直線汽缸實現(xiàn)。而中臂與小臂之間由可調支撐件來手動調節(jié)角度, 并配合調節(jié)小臂的螺紋連接件, 來控制機械手末端在笛卡爾空間坐標系中的位置。手抓部位的夾持力通過控制直線氣缸來調節(jié)。
圖1-5 機械手虛擬樣機
在設計的機械手虛擬樣機中, 底座與軀干以固定副相連, 軀干與大臂以轉動副相連, 大臂與中臂以轉動副相連, 中臂、可調支撐和小臂以固定副相連, 小臂與手腕以固定副相連, 直線氣缸部位以平動副相連, 添加約束后如圖所示。
1.5.3 高精度機械手
第三種如圖1-6所示。機械手具備有：水平缸X軸方向移動、垂直升降缸Y軸方向運動、伸縮缸Z軸方向伸縮及伸擺缸繞Z軸選裝四個自由度（手指開合不記）。由于手臂采用懸臂方式，活塞缸所承受的徑向彎曲力矩較大，為解決這個問題，我們用了具有良好導向性能的高精度導軌型無桿缸和導向型伸縮缸。手指采用兩只肘潔是卡爪，通過鋁合金奧通和伸擺缸連接，增強了伸縮氣缸的導向型和抗彎能力。手指采用自行設計的V型塊，也可以根據(jù)被夾工件實際形狀要求設計成不同的結構。無桿缸、升降缸和伸擺缸通過硬質鋁合金連接板連接，結構簡單，便于加工和連接。位移傳感器和無桿缸相連，檢測X軸方向位移。
圖1-6 氣動機械手結構圖
第2章 氣動翻轉機械手總體設計
對氣動翻轉機械手的抓取系統(tǒng)、翻轉系統(tǒng)和連接系統(tǒng)進行設計，包括抓取部件、翻轉部件及連接部件和氣動執(zhí)行部件。根據(jù)氣動執(zhí)行部件來驅動抓取部件中的齒條運動，帶動齒輪、齒條一起運動，最終造成兩個齒條的相互運動，實現(xiàn)外部的抓取功能。然后通過連接部件實現(xiàn)兩根軸在同一條線上的不同方向轉動，再通過翻轉部件實現(xiàn)兩個抓取物件同時翻轉的功能。
2.1 抓取系統(tǒng)的初步設計
如圖所示，本次設計所夾取物件形狀為圓柱型，即罐裝瓶子之類的。原理分析如下:齒條1與夾緊臂1用螺釘連接，齒輪2與夾緊臂2也是如此；齒條1與齒條2通過齒輪連接；當推動軸由于氣動裝置往左推進時，這時夾緊臂1，軸帶動齒條1往左動，從而帶動齒輪轉動，最終帶動齒條2向右移動,在外部實現(xiàn)了夾緊被抓物件的要求。在實現(xiàn)翻轉功能后，推動軸由于氣動裝置往右退回時，夾緊裝置的兩個葉片就會放開，從而松開被夾物件。
圖2-1 夾緊裝置二維圖
2.2 翻轉系統(tǒng)的初步設計
2.2.1 錐齒輪電機翻轉
圖2-2 翻轉系統(tǒng)1
原理說明：通過電機推動底下的齒輪1轉動，同時斜齒輪1也跟著轉動，由圖可見斜齒輪2和斜齒輪3也跟著以相反方向轉動。由于夾緊裝置與斜齒輪的轉動軸固定，則兩個夾緊裝置也會以相反方向實現(xiàn)翻轉，即一個運動進程實現(xiàn)兩次抓取和不同方向的翻轉。
2.2.2 鏈輪鏈條氣缸翻轉
圖2-3 翻轉系統(tǒng)2
原理說明：通過底下氣缸推動齒條1向后方向移動（這時鏈輪1由于齒條的運動而轉動；由于夾緊裝置1的轉動軸與鏈條1的轉動軸固定，所以夾緊裝置也跟著轉動），帶動齒輪轉動，再帶動齒條2向下移動（與齒條1方向相反），帶動鏈條2以與鏈條1相反的方向運動，最終使夾緊裝置2產生與夾緊裝置1相反方向的轉動。這時就實現(xiàn)了一個運動進程實現(xiàn)兩次抓取和不同方向的翻轉。
2.2.3 翻轉方案選擇
由于第一種方案中的齒輪斜齒輪和斜齒條的配合在實際生產中比較難以加工，制作成本和要求都很大；第一種方案的動力驅動為電機驅動，不符合本次設計氣壓驅動的要求，而且電機驅動傳動效率也不高；相比較而言，第二種方案的鏈輪鏈條設計制作成本較低，設計簡單容易實現(xiàn)，驅動方式為氣缸驅動，符合本次設計要求；所以經過最后的校核和評估，本次設計采用低二種方案。
2.3氣動翻轉機械手的三維建模、裝配思路
2.3.1各部分零件設計
氣動翻轉機械手各部分的具體結構設計，利用Pro/Engineer軟件建立三維模型，進行裝配分析，進一步改進結構設計。分別對各個零件進行建模，再裝配分析是否出現(xiàn)尺寸大小不配套還有運動機構卡死等問題，如果有的話必須調整方案或數(shù)據(jù)。最后通過改進實現(xiàn)最后的裝配。裝配完后進行投影二維圖紙并標注，某些重要的零部件要進行剖視處理。最后得到較好的裝配圖、二維圖紙和三維圖紙。
2.3.2 氣動翻轉機械手的運動學仿真
通過建立的三維模型，進行運動學仿真分析，分抓取系統(tǒng)、氣動驅動和翻轉系統(tǒng)三個階段進行動力學分析。運動仿真時要看能不能運動的起來，確保氣動翻轉機械手實現(xiàn)翻轉和氣動的功能。
本設計論文擬采用理論分析與三維建模與仿真實驗的方法，在前人的基礎上，通過三維Pro/E環(huán)境完成氣動翻轉機械手的設計仿真，并對其進行初步的運動學分析。對
目前,隨著計算機輔助技術的不斷發(fā)展,三維造型軟件功能不斷完善,傳統(tǒng)的二維設計正逐漸被三維實體設計所代替。
Pro /Engineer是美國PTC公司于1988年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng),是一套由設計至生產的機械自動化的三維實體模型(3DS)設計軟件,它不僅具有CAD 的強大功能,同時還具有CAE 和CAM 的功能,廣泛應用于工業(yè)設計、機械設計、模具設計、機構分析、有限元分析、加工制造及關系數(shù)據(jù)庫管理等領域。而且能同時支持針對同一產品進行同步設計,具有單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、以特征為基礎的參數(shù)式模型和尺寸參數(shù)化等優(yōu)點。采用三維CAD 設計的產品,是和實物完全相同的數(shù)字產品,零部件之間的干涉一目了然,Pro/Engineer 軟件能計算零部件之間的干涉和體積,把錯誤消滅在設計階段[9]。
運用Pro/ E三維設計平臺,通過對特征工具的操作,避免高級語言的復雜編程,所開發(fā)設計出來的氣動翻轉機械手,便于研究人員通過對界面特征工具的操作,生成氣動翻轉機械手實體模型，甚至輸出所需要的工程圖及相關分析數(shù)據(jù)。這樣既可輔助研究人員完成其設計構思、減輕勞動強度、提高效率和精度、改善視覺的立體效果,并可有效地縮短研制周期,提高設計制造的成功率;也為后續(xù)的3D運動學仿真分析奠定了基礎。
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及預期成果
氣動翻轉機械手Pro/ E運動學仿真分:運動仿真是機構設計的一個重要內容, 在Pro /E的Mechanism模塊中,通過對機構添加運動副、驅動器使其運動起來,來實現(xiàn)機構的運動仿真。通過仿真技術可以在進行整體設計和零件設計后, 對各種零件進行裝配后模擬機構的運動, 從而檢查機構的運動是否達到設計的要求, 可以檢查機構運動中各種運動構件之間是否發(fā)生干涉，實現(xiàn)機構的設計與運動軌跡校核。同時, 可直接分析各運動副與構件在某一時刻的位置、運動量以及各運動副之間的相互運動關系及關鍵部件的受力情況。在Pro /E環(huán)境下進行機構的運動仿真分析,不需要復雜的數(shù)學建模、也不需要復雜的計算機語言編程,而是以實體模型為基礎,集設計與運動分析于一體,實現(xiàn)產品設計、分析的參數(shù)化和全相關,反映機構的真實運動情況。
本次畢業(yè)設計以PTC公司的三維建模軟件Pro/E及其中的運動學仿真功能建立氣動翻轉機械手的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動翻轉機械手的三維CAD模型，然后完成氣動翻轉機械手的裝配，設置機構運動的初始位置，添加驅動和約束，進行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動翻轉機械手的仿真模型。
可行性分析:抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計和研究是機械手方面研究的基礎。因此，對具有理想結構的抓取和翻轉系統(tǒng)進行運動學和動力學、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。因此,要進行抓取和翻轉系統(tǒng)的結構設計研究，從幾何、運動學、動力學及結構關系等不同角度對機械手進行研究, 使機械手能比較完美的在抓取和翻轉物體。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行氣動翻轉機械手設計與仿真，在基本原理上是可行的。
本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識，以及Pro/ E設計工具，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。
指導老師在氣動翻轉機械手的相關研究方面具有很多成功的經驗，本設計的研究方法思路經過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。
第3章 氣動翻轉機械手重要零部件設計校核及其裝配
3.1氣缸的設計和校核
3.1.1 夾緊系統(tǒng)氣缸設計和校核
根據(jù)實驗設計要求，氣動翻轉機械手氣缸采用煙臺氣動元件廠生產的標準氣缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為63/63。
（1）在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,則驅動力：
（3-1）
（2）.測定手腕質量和重物的質量之和為7kg,設計加速度，則慣性力
（3-2）
（3）.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù)。
=70×0.2=14 （3-3）
=70+14=84 （3-4）
所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。
（2）活塞桿的計算
1）按強度條件計算：當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d。
（3-5）
式中為氣缸的推力（N）；
活塞桿材料的許用應力(Pa)；
材料的抗拉強度（Pa）；
安全系數(shù)，S≥1.4。
按縱向彎曲極限力計算：氣缸承受軸向壓力以后，會產生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，活塞桿會產生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。
當長細比 時
（3-6）
當長細比 時
（3-7）
式中活塞桿計算長度（m）
—活塞桿橫截面回轉半徑（m），
實心桿：
（3-8）
空心桿：
（3-9）
為活塞桿橫截面慣性矩，
實心桿：
（3-10）
空心桿：
（3-11）
空心活塞桿內徑直徑（m）；
活塞桿截面積
實心桿：
（3-12）
空心桿：
（3-13）
為系數(shù)，
為為材料彈性模量，對鋼取；
為材料強度實驗值，對鋼??；
為系數(shù)，對鋼取
3.1.2 翻轉系統(tǒng)氣缸設計和校核
（1）尺寸設計：此部分選用單片葉片式擺動氣馬達需設計其葉片內直徑與葉片軸直徑計算公式如下：
(3-14)
葉片寬度設計為b=9mm,氣缸內徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數(shù)n=1,,
則理論驅動力矩 ：
(3-15)
=12.276
（2）尺寸校核：測定參與手臂轉動的部件的質量=2kg,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑=53mm的圓盤上，那么轉動慣量：
(3-16)
=2×0.053×0.053/2
=0.03（）
(3-17)
=0.03×(180/1)=5.4
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
(3-18)
=0.2×5.4=1.08
總驅動力矩
(3-19)
=5.4+1.08=6.48
故設計尺寸滿足使用要求。
3.2齒輪設計和校核
3.2.1齒輪參數(shù)的選擇
齒輪模數(shù)值取值為=5，主動齒輪齒數(shù)為=6，壓力角取=20°，齒輪螺旋角為=，齒條齒數(shù)應根據(jù)轉向輪達到的值來確定。齒輪的轉速為，齒輪傳動力矩25，轉向器每天工作8小時，使用期限不低于5年．
主動小齒輪選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火，而齒條常采用45號鋼或41Cr4制造并經高頻淬火，表面硬度均應在56HRC以上。為減輕質量，殼體用鋁合金壓鑄。
3.2.2齒輪幾何尺寸確定
齒頂高：
(3-20)
齒根高：
(3-21)
齒高：
(3-22)
分度圓直徑：
(3-23)
齒頂圓直徑：
(3-24)
齒根圓直徑：
(3-25)
基圓直徑：
(3-26)
法向齒厚為：
(3-27)
端面齒厚為：
(3-28)
分度圓直徑與齒條運動速度的關系：
(3-29)
齒距：
由于齒輪轉速低，是一般的機械，故選擇8級精度。
(3-30)
齒輪中心到齒條基準線距離：
(3-31)
3.2.3齒根彎曲疲勞強度計算
1齒輪精度等級、材料及參數(shù)的選擇
（1）齒輪模數(shù)值取值為，主動齒輪齒數(shù)為，壓力角取=20°.
（2）主動小齒輪選用20MnCr5或15CrNi6材料制造并經滲碳淬火，硬度在56-62HRC之間，取值60HRC.
（3）齒輪螺旋角初選為=°
2齒輪的齒根彎曲強度設計
(3-32)
⑴試取=。
⑵斜齒輪的轉矩=25。
⑶取齒寬系數(shù)。
⑷齒輪齒數(shù)。
⑸復合齒形系數(shù)=。
許用彎曲應力：
(3-33)
為齒輪材料的彎曲疲勞強度的基本值。
(3-34)
試取。
⑹圓周速度
(3-35)
取
(3-36)
⑺計算載荷系數(shù)
① 查表得使用系數(shù)=1
② 根據(jù)和8級精度，查表得
③ 查表得齒向載荷分布系數(shù)
④ 查表得齒間載荷分布系數(shù)
(3-37)
⑤ 修正值計算模數(shù)
＝ (3-38)
故前取不變。
3齒面接觸疲勞強度校核
校核公式為
(3-39)
（1）許用接觸應力
查表得，。安全系數(shù)。
(3-40)
（2）查表得彈性系數(shù)。
（3）查表得區(qū)域系數(shù)。
（4）重合度系數(shù)
(3-41)
（5）螺旋角系數(shù)
＝ (3-42)
由以上計算可知齒輪滿足齒面接觸疲勞強度，即以上設計滿足設計要求。
3.3齒條的設計和校核
3.3.1齒條的設計
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點:
（1）齒輪的分度圓永遠與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當標準齒輪正確安裝時才與其節(jié)圓相重合.
（2）齒輪與齒條的嚙合角永遠等于壓力角，因此齒條模數(shù),壓力角齒條斷面形狀選取圓形，選取
齒數(shù)：
螺旋角：
端面模數(shù)：
(3-43)
端面壓力角：
(3-44)
法面齒距：
(3-45)
端面齒距：
(3-46)
齒頂高系數(shù)：
(3-47)
法面頂隙系數(shù)：
齒頂高：
(3-48)
齒根高：
(3-49)
齒高：
(3-50)
法面齒厚：
(3-51)
端面齒厚：
(3-52)
3.4 固定機架上的軸設計和校核
3.4.1求輸入軸上的功率、轉速和轉矩
3.4.2求作用在齒輪上的力
已知高速級小圓錐齒輪的分度圓半徑為
(3-53)
而
(3-54)
圓周力、徑向力及軸向力的方向如圖3-1所示
圖3-1 軸內力圖
3.4.3 初步確定軸的最小直徑
先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼（調質）,取，得，輸入軸的最小直徑為安裝聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。
聯(lián)軸器的計算轉矩,由于轉矩變化很小，故取，則
查《機械設計（機械設計基礎）課程設計》表17-4，選HL2型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為160000，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為。
3.4.4軸的結構設計
1擬定軸上零件的裝配方案（見圖3-2）
圖3-2 軸內力圖
2根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
⑴為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位，1-2軸段右端需制出一軸肩，故取2-3段的直徑。
⑵初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力，故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)，由《機械設計（機械設計基礎）課程設計》表15-7中初步選取0基本游隙組，標準精度級的單列圓錐滾子軸承30306，其尺寸為，，而。這對軸承均采用軸肩進行軸向定位，由《機械設計（機械設計基礎）課程設計》表15-7查得30306型軸承的定位軸肩高度，因此取。
⑶取安裝齒輪處的軸段6-7的直徑；為使套筒可靠地壓緊軸承，5-6段應略短于軸承寬度，故取。
⑷軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添加潤滑油的要求，求得端蓋外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離，故取。
⑸錐齒輪輪轂寬度為55mm，為使套筒端面可靠地壓緊齒輪取。
⑹由于，故取。
3軸上的周向定位
圓錐齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由《機械設計（第八版）》表6-1查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為50mm，同時為保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差為。
4確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為。
5求軸上的載荷
表1 軸上的載荷
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
6按彎扭合成應力校核軸的強度
根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)及軸的單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力
(3-55)
前已選定軸的材料為45鋼（調質），由《機械設計（第八版）》表15-1查得，故安全。
3.4.5精確校核軸的疲勞強度
1判斷危險截面截面5右側受應力最大
2截面5右側抗彎截面系數(shù)
(3-56)
抗扭截面系數(shù)
(3-57)
截面5右側彎矩M為
(3-58)
截面5上的扭矩為
(3-59)
截面上的彎曲應力為
(3-60)
截面上的扭轉切應力為
(3-61)
軸的材料為45鋼，調質處理。由表15-1查得，，。截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按《機械設計（第八版）》附表3-2查取。因， ，經插值后查得，，又由《機械設計（第八版）》附圖3-2可得軸的材料敏感系數(shù)為，故有效應力集中系數(shù)為
由《機械設計（第八版）》附圖3-2的尺寸系數(shù)，扭轉尺寸系數(shù)。軸按磨削加工，由《機械設計（第八版）》附圖3-4得表面質量系數(shù)為，軸未經表面強化處理，即，則綜合系數(shù)為
又取碳鋼的特性系數(shù)
計算安全系數(shù)值
故可知安全。
3.5圓錐滾子軸承的設計和校核
初步選擇滾動軸承，由《機械設計（機械設計基礎）課程設計》表15-7中初步選取0基本游隙組，標準精度級的單列圓錐滾子軸承30306，其尺寸為， ，，
表2 支反力
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
則
則
則
，
則
則
故合格。
3.6鍵連接設計和校核
3.6.1輸入軸鍵計算
1校核聯(lián)軸器處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：，
，故單鍵即可。
2校核圓錐齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：，
，故單鍵即可。
3.6.2中間軸鍵計算
1校核圓錐齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：，，故單鍵即可。
2校核圓柱齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：，，故單鍵即可。
3.6.3輸出軸鍵計算
1校核聯(lián)軸器處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：
，故單鍵即可。
2校核圓柱齒輪處的鍵連接
該處選用普通平鍵尺寸為，接觸長度，則鍵聯(lián)接所能傳遞的轉矩為：
(3-63)
，故設計雙鍵。
3.7聯(lián)軸器的設計和校核
在軸的計算中已選定聯(lián)軸器型號。
輸入軸選HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為160000，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為。
輸出軸選選HL3型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為，半聯(lián)軸器的孔徑，故取，半聯(lián)軸器長度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為。
第4章 三維建模和運動仿真
基于以上的計算和校核，可以在三維軟件中進行建模，現(xiàn)在把所建的重要三維模型顯示如下。氣動翻轉機械手的三維模型的建立是和其結構設計同時進行的，懸架的三維模型可以使設計的懸架各個部件的相互位置和裝配關系更加直觀，能夠直接檢驗裝配關系是否正確。
完成各個部件的三維模型后，再利用結構設計的各個零件的相互關系進行整體裝配。圖4-1所示的是氣動翻轉機械手整體裝配好以后的狀態(tài)模型。
4.1 整體裝配圖
如圖4-1所示，本次所設計的氣動翻轉機械手，是由兩個夾緊裝置和一個翻轉系統(tǒng)構成。由于本此時機械手的部件設計，所以翻轉系統(tǒng)的固定外殼以及固定標準件都沒有畫出。由本圖可看出，本次設計的氣動翻轉機械手已經基本完成了一個運動進程實現(xiàn)夾緊裝置的兩次不同方向翻轉的功能，符合本次設計的要求。
圖4-1 整體裝配
4.2夾緊系統(tǒng)裝配圖
夾緊系統(tǒng)的三維建模很好的實現(xiàn)了當初的設計目標，即以氣缸為驅動力推動齒輪齒條運動，使得外部的夾緊裝置相中間夾緊。當夾緊裝置夾緊物件時，機械手就可以開始進行下一個動作，即翻轉。
圖4-2 夾取系統(tǒng)
4.3氣缸推動和翻轉系統(tǒng)裝配圖
翻轉系統(tǒng)實現(xiàn)的目的就是讓兩邊的夾緊裝置以相反方向進行翻轉，這里著重要提及的就是相反方向的翻轉，只有建立在相反方向的基礎上，這套構思和這套方案才有意義。還有，由圖4-3可知，鏈條的鏈結是通過一塊小鐵板焊接在齒條的背部的，由于氣動翻轉機械手只實現(xiàn)來回的翻轉運動，所以鏈條底部和齒條固定的地方也只實現(xiàn)來回的平移運動，它運動的距離不會使它進入鏈輪的旋轉范圍之內的。
圖4-3 氣缸推動和翻轉
4.4 氣缸推動夾緊裝置系統(tǒng)裝配圖
氣缸推動的原理即通過氣缸內的封閉性，在外界通入空氣時，內外氣壓變得不同，從而推動氣缸內的滑塊運動。
圖4-4 氣缸推動
第5章 總結與展望
5.1總結
本次設計主要設計了一套氣動翻轉機械手部件，功能為將工件移位并實現(xiàn)翻轉動作。在設計方面滿足了設計方案及結構設計合理，圖紙滿足生產要求。本文主要完成以下工作：
（1）氣動翻轉機械手部件的結構設計
包括夾緊部件、翻轉部件、氣缸推動部件。根據(jù)氣缸推動部件獨立驅動、獨立轉向的功能要求，進行驅動傳動裝置及轉向裝置的設計，同時采用相反方向翻轉設計實現(xiàn)相反方向轉動的功能。
（2）氣動翻轉機械手部件的設計和校核
根據(jù)氣動翻轉機械手的特點對各個機械手的零件進行了校核，校核是各個零件要滿足校核條件，不滿足的要重新設計再校核。
（3）八輪星球探測車可展開移動系統(tǒng)三維仿真
通過建立的三維模型，對夾緊和翻轉系統(tǒng)進行仿真。
5.2展望
在基本完成課題目標的基礎上，仍有一些方面需要加強。由
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