气动元辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难尤其在高速情况下，似乎更难想象。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这体系己经取得的系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面必须更广。选取机械手的座标型式和自由度。设计出机械手的各执行机构，包括手部手腕手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。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放和搬运物件，这就要求它们具有高精度快速反应定的承载能力足够的工作空间和灵活的自由度及在任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和工艺，并满足系统功能要求和环境条件明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取搬运时的受力特性尺寸和质量参数等，从而进步确定对机械手结构及运行控制的要求尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是种适合于成批或中小批生产的可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。.机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同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和关节式。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，采用圆柱座标型式。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，从而增加个手臂上下摆动的自由度。.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。.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，因此手腕必须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升降或俯仰运动。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。.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。.机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变程序即可实现，非常方便快捷。.机械手的主要参数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公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附公斤的重物。基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。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主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为.，最大回转速度设计为。平均移动速度为，平均回转速度为。机械手动作时有启动停止过程的加减速度存在，用速度行程曲线来说明速度特性较为全面，因为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和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为,最大工作半径约为，手臂安装前后可调。手臂回转行程范围定为应大于，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。定位精度也是基本参数之。该机械手的定位精度为土.。.机械手的技术参数列表用途用于吨以上冲床上下料。二设计技术参数抓重公斤夹持式手部公斤气流负压式吸盘自由度数个自由度座标型式圆柱座标最大工作半径手臂最大中心高手臂运动参数伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转范围回转速度手腕运动参数回转范围回转速度手指夹持范围棒料片料面积不大于.定位精度士.缓冲方式液压缓冲器传动方式气压传动控制方式点位程序控制采用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。.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。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式斜楔杠杆式齿轮齿条式弹簧杠杆式等。手指的形状和分类夹持式是最常见的种，其中常用的有两指式多指式和双手双指式按手指夹持工件的部位又可分为内卡式或内涨式和外夹式两种按模仿人手手指的动作，手指可分为支点回转型，二支点回转型和移动型或称直进型，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，能适应不同直径的工件。设计时考虑的几个问题具有足够的握力即夹紧力在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。二手指间应具有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为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对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和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带形面的手指，以便自动定心。四具有足够的强度和刚度手指除受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和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，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，我们采用的机械手的手部结构是支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成型，其结构如附图所示。手部夹紧气缸的设计手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图.所示，其工件重量，形手指的角度,摩擦系数为.。图.齿轮齿条式手部根据手部结构的传动示意图，其驱动力为根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式所以实际驱动力因为传力机构为齿轮齿条传动，故取η.，并取.。若被抓取工件的最大加速度取时，则所以所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。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必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为式中活塞杆上的推力，弹簧反作用力，气缸工作时的总阻力,气缸工作压力，弹簧反作用按下式计算式中弹簧刚度，弹簧预压缩量，活塞行程，弹簧钢丝直径，弹簧平均直径，.弹簧外径，弹簧有效圈数弹簧材料剪切模量，般取.在设计中，必须考虑负载率η的影响，则由以上分析得单向作用气缸的直径代入有关数据，可得所以查有关手册圆整，得由，可得活塞杆直径.圆整后，取活塞杆直径校核，按公式,则.满足设计要求。缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有定厚度。般气缸缸筒壁厚与内径比小或等于，其壁厚可按薄壁筒公式计算式中缸筒壁厚，气缸内径，实验压力，取.,材料为,代入己知数据，则壁厚为.取.，则缸筒外径为.。.气流负压式吸盘气流负压式吸盘是利用吸盘即用橡胶或软性塑料制成皮腕内形成负压将工件吸住。它适用于搬运些薄片形状的工件，如薄铁片板材纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿弧形壳体零件等，尤其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，但要求所吸附表面平整光滑无孔和无油。按形成负压或真空的方法，气流负压式手部可分为真空式气流负压式和挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。图.喷射气流原理图喷射式气流负压吸盘的工作原理如图.所示，根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每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。所以，压缩空气由喷嘴进口处进入后，喷嘴开始段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处时即临界面积，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即.。为了使喷嘴出口处的压力低于必须在喷嘴临界面以后再加段渐扩段，这样可以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，使处的气体不断的被高速流体卷带走，如处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。图.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，喷射气流和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可以调节，以便喷嘴有效地工作。在图.中，喷嘴与喷嘴套的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小。.橡胶吸盘.吸盘芯子.通气螺钉.吸盘体.喷嘴.喷嘴套图.可调喷射式负压吸盘结构下面计算吸盘的直径吸盘吸力的计算公式为式中吸盘吸力，本机械手的吸盘吸力为，故吸盘直径.吸盘数量，本机械手吸盘数量为吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取,月，在此取.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产生的惯性力影响。因此，应根据工作条件的不同，选取工作情况系数，般可在的范围内选取。在此，取。方位系数.当吸盘垂直吸附时，则，为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，取当吸盘水平吸附时，取。在此，取代入数据得手腕结构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，因此手腕必须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。.手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性加工工艺要求工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设绕轴转动回转运动才可满足工作的要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回