某小型物料搬運(yùn)機(jī)械手的手臂伸縮和升降氣缸選擇與腕部連接裝置設(shè)計(jì)1.1手臂伸縮氣缸的選擇1.1.1水平方向受力計(jì)算當(dāng)所搬運(yùn)的物料處于水平狀態(tài)時(shí)，手臂伸縮氣缸受到的扭矩最大，在設(shè)置參數(shù)的過(guò)程中將物料的重量設(shè)置成10KG，長(zhǎng)度為100mm，則物料的受力簡(jiǎn)圖為下圖：工件工件FSF圖1.1物料受力簡(jiǎn)圖氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M=F×S（1.1）=10N·m1.1.2氣缸的選擇表1.1YAM系列氣缸型號(hào)動(dòng)作形式缸徑（mm）標(biāo)準(zhǔn)行程（mm）固定裝置使用速度（mm/s）額定壓力（MPa）YAM4025~800空白：標(biāo)準(zhǔn)YAM50LB：腳架YAM63FA:前法蘭YAM80CA：?jiǎn)味SYAM100復(fù)動(dòng)25~1000CB：雙耳軸5~300YAM125TC：中間耳軸0.5~14YAM150LA：腳座YAM200YAM250根據(jù)扭矩結(jié)合實(shí)際情況，選用YAM63標(biāo)準(zhǔn)小型氣缸。下圖為YAM63標(biāo)準(zhǔn)小型氣缸的實(shí)際圖片。圖1.2YAM63小型氣缸實(shí)際圖1.1.3活塞桿的選擇REF_Ref71729529\r\h[1]查閱《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》，根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3?0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5?0.7。所以活塞桿的直徑取d=0.5D=25mm。表1.2活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400為了方便更直觀的了解，本次將活塞桿圖簡(jiǎn)化，下圖就是本次所畫活塞桿。圖1.3活塞桿1.1.4導(dǎo)向裝置為了有效地防止手臂運(yùn)動(dòng)方向的偏移，確保手臂能夠沿著正確方向進(jìn)行移動(dòng)，并且有效地防止手臂中的活塞桿承受到較大彎矩時(shí)產(chǎn)生的影響，為了增強(qiáng)手臂的穩(wěn)定性和剛度，應(yīng)該考慮使用引導(dǎo)裝置。手臂伸縮氣缸的導(dǎo)向裝置我將氣缸的固定底座與氣缸的導(dǎo)向裝置做了一個(gè)結(jié)合，這樣既方便了氣缸的工作也解決了氣缸的方向偏移問(wèn)題。圖1.4導(dǎo)向裝置簡(jiǎn)圖1.2手臂升降氣缸的選擇1.2.1升降氣缸的計(jì)算升降氣缸的選擇，我準(zhǔn)備從GB/T2348-1980系列中選取一個(gè)符合的。考慮到此次設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足工作臺(tái)快速進(jìn)退速度相等，且應(yīng)該減小氣動(dòng)泵的流量，設(shè)氣缸的無(wú)桿腔的有效面積為A1，設(shè)有桿腔的有效面積為A2，則無(wú)桿腔的等效面積與有桿腔的有效面積的關(guān)系應(yīng)該滿足取氣缸機(jī)械效率。故氣缸無(wú)桿腔的有效面積：A1=1.5×氣缸直徑然后從GB/T2348-1980系列中選取表1.3GB/T2348-1980系列810121620253240506380100125160200250320400500本來(lái)應(yīng)該選取D=50mm，在這里考慮到一些不可因素，所以選取D=63mm的，以防意外。圖1.5氣缸簡(jiǎn)圖1.2.2活塞桿的計(jì)算校核活塞桿本身就是氣缸傳動(dòng)的主體與零件，它需要承受著諸多的力，如壓、拉、沖擊力等，所以一定要具備足夠的機(jī)械剛度與高速運(yùn)轉(zhuǎn)。其材料一般采取Q235鋼。查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》，一般的選取原則上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，所以在這里就不過(guò)多敘述，選取d=0.5D=50mm。表1.3活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算氣缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，qminv=為最小速度，則由式A本例A1a活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)負(fù)載的選擇牽引式齒輪拖動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件在組成端部機(jī)構(gòu)之間與帶有活塞桿的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件最外端和機(jī)構(gòu)頭部互相進(jìn)行連接，為了有效地同時(shí)避免機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器件和組中的活塞桿在正常傳動(dòng)工作和機(jī)械生產(chǎn)中由于偏心而松動(dòng)造成的氣缸負(fù)載力，適應(yīng)驅(qū)動(dòng)氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械安裝使用需要，提高其正常工作效率，應(yīng)根據(jù)氣缸負(fù)載力的具體情況，選擇合理的機(jī)構(gòu)活塞桿和機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器組的端部。b活塞桿的密封與防塵活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等。采用薄鋼片組合防塵圈時(shí)，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。此次設(shè)計(jì)選擇O型密封圈，方便維護(hù)。表1.4O型橡膠密封圈標(biāo)準(zhǔn)GB1235-1976公稱外徑ｄ公稱內(nèi)徑ｄ斷面直徑ｄ實(shí)際內(nèi)徑ｄ公差521.7632.7743.7851.7961.9±0.085.7±1076.71187.71298.713109.7141110.714109.6151110.6161211.6181413.619152.4±11.6±201615.6221817.6242019.6252120.6262221.6此次選擇兩個(gè)O型密封圈分別是伸縮活塞桿用的公稱外徑為11，公稱內(nèi)徑為8的O型密封圈，和升降活塞桿用的公稱外徑為22，公稱內(nèi)徑為18的O型密封圈。c活塞桿簡(jiǎn)圖圖1.6活塞桿只一個(gè)活塞桿來(lái)作為此機(jī)械手的支撐臂的話，不足以撐起物料和小臂的全部重量，所以應(yīng)該再設(shè)計(jì)四個(gè)油桿分散在此活塞桿的周圍，以此活塞桿為中心來(lái)支撐上半部的重量，導(dǎo)向裝置也在油桿座上，下圖為油桿座。圖1.7油桿座1.2.3導(dǎo)向裝置升降氣缸應(yīng)該具有一個(gè)導(dǎo)向裝置，這里的導(dǎo)向裝置是一個(gè)引導(dǎo)活塞沿著缸內(nèi)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一個(gè)圓筒狀金屬元器。此次導(dǎo)向裝置選擇單導(dǎo)柱，因?yàn)楸敬螜C(jī)械手的要求并沒(méi)有那么高，所以單導(dǎo)柱完全可以滿足此次需要。圖1.8單導(dǎo)柱圖1.2.4導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)（1）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定當(dāng)活塞桿完全伸出時(shí)，從活塞支承面的中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面的中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度REF_Toc13032\r\h[1]。如果這個(gè)位置的地方被設(shè)計(jì)成存在瑕疵的話，會(huì)嚴(yán)重影響到氣缸的使用效率和穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行氣缸設(shè)計(jì)時(shí)，必須要確保其具有合適的最低導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)一個(gè)氣缸的最大導(dǎo)向行程式為L(zhǎng)，缸筒直徑為D時(shí)，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度式為H≥L20+D2（1.2）一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)向控制滑動(dòng)部件表面的固定直徑和滑動(dòng)長(zhǎng)度A，在它的缸徑中長(zhǎng)度應(yīng)小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。當(dāng)假若一個(gè)導(dǎo)向引引管道的活塞長(zhǎng)度存在不足時(shí)，可以在一個(gè)活塞桿上再重新添加一個(gè)導(dǎo)向引導(dǎo)管道套件以用來(lái)對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)度增加。C=H?12(A+B)(1.3)因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=90mm；導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A=0.8×90mm=72mm活塞寬度B=0.9×90mm=81mm（2）導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向套的配置種類很多，比如普通一般的導(dǎo)向套、容易方便拆卸的導(dǎo)向套、球面驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向套以及靜壓導(dǎo)向套等，所以我們?cè)谶M(jìn)行選擇各種導(dǎo)向套時(shí)候還應(yīng)該根據(jù)自己實(shí)際作業(yè)工作的使用情況等來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。（3）導(dǎo)向套簡(jiǎn)圖圖1.9導(dǎo)向套簡(jiǎn)圖1.2.5缸體長(zhǎng)度和缸底的選擇氣缸的長(zhǎng)度缸體內(nèi)和外部長(zhǎng)和寬度系數(shù)應(yīng)該分別是于或等于空氣活塞運(yùn)動(dòng)行程公式中的缸體長(zhǎng)度和其內(nèi)部寬度。在我們確定兩個(gè)缸體的內(nèi)外形狀和長(zhǎng)度時(shí)，也就是說(shuō)在缸體設(shè)計(jì)時(shí)我們需要分別考慮兩個(gè)缸體端蓋之間的絕緣厚度REF_Toc13032\r\h[1]。一般來(lái)說(shuō)氣缸的大小缸體最大長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20~30倍。取系數(shù)為5，則氣缸缸體長(zhǎng)度：L=5×100=500mm。缸底一般有好幾種選擇，其中缸底一般有平面式的缸底、橢圓型的缸底和半球形的缸底三種，這次我們所選擇的是平面式缸。1.2.6氣缸行程的選擇氣缸的最大連續(xù)工作時(shí)間行程的計(jì)算長(zhǎng)度一般是通過(guò)依靠一個(gè)執(zhí)行計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)每個(gè)氣缸的最大連續(xù)工作時(shí)間行程長(zhǎng)度進(jìn)行精細(xì)計(jì)算后來(lái)確定，并依照各種表格格式來(lái)精確選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。表1.4（a）氣缸行程系列（GB2349-80）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表1.4（b）氣缸行程系列（GB2349-80）406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表1.4（c）氣缸形成系列（GB2349-80）240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根據(jù)實(shí)際情況，我們選取行程為1250mm。1.3氣缸緩沖裝置圖1.10氣缸緩沖裝置圖中P代表的是橡膠彈性墊緩沖，PPV代表的是可調(diào)氣緩沖，PPS（Festo專利）代表的是自調(diào)節(jié)氣緩沖。氣缸的緩沖裝置的作用是為了防止氣缸過(guò)早的損壞，吸收并抵消活塞對(duì)于端蓋的沖擊動(dòng)能。還可以優(yōu)化動(dòng)作時(shí)間，可獲取的允許范圍內(nèi)更高的活塞運(yùn)行速度，加快節(jié)拍，提高工作效率。在這次設(shè)計(jì)中，選擇橡膠彈性墊緩沖。1.4機(jī)械手腕部連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手腕是手部和臂部的連接部分。它的功能是通過(guò)自身的活動(dòng)性來(lái)確定握住工件的手的空間狀態(tài)，也可以說(shuō)是確定手的姿勢(shì)。因此手腕也被稱為機(jī)械手的姿勢(shì)機(jī)制。本次腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，安裝在升降氣缸所在的油桿座上用以連接伸縮臂和升降臂。圖1.11腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖1.12腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)二維圖1.5螺柱的設(shè)計(jì)與校核螺柱是將兩個(gè)連接件連接到一起的關(guān)鍵性零部件，在這里的螺柱是將大臂與基座連接，將與腕部固定的小臂與大臂進(jìn)行連接的固定件。螺柱的材料一般用的是低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼。這次設(shè)計(jì)的螺柱材料選擇的是低碳鋼。下面是螺柱的計(jì)算與校核：螺距P=6mm梯形螺紋螺紋的工作高度?=0.5P（1.4）=3mm螺紋牙底寬度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（1.5）螺桿強(qiáng)度α=σs3~5==30～50Mpa螺紋牙剪切[β]=40彎曲[α_b]=45～55（1）當(dāng)量應(yīng)力σ=(4Fπd式中T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm