气动翻转机械手部件设计[动画仿真][PPT]
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本科毕业设计（论文）
题 目 气动翻转机械手部件设计
学 院 机械与自动控制学院
专业班级 09机械设计制造及其自动化（4）班
姓 名 杨永贺 学 号 B09370126
指导教师 李志刚
系 主 任 胡明
二O 一三 年 五 月 二十一 日
浙 江 理 工 大 学
机械与自动控制学院
毕业论文诚信声明
我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。
声明人（签名）：杨永贺
2013年 5月 29日
摘 要
气动机械手是以气压为驱动力的机械手。机械手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和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和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。所以气动机械手能够降低劳动强度，提高生产效率。但它的缺点也很明显，因为气体具有很大的可压缩性, 要做到气动机械手精确定位难度很大, 尤其是难以实现任意位置的多点定位；而且可压缩性也带来不能承受过重的负载的限制。传统气动系统只能靠机械定位置的调定位置而实现可靠定位, 并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定, 经常无法满足许多设备的自动控制要求。
本课题经过深刻的研究发现，目前生产线上的气动翻转机械手一个运动进程只能实现一次抓取和翻转功能的，感觉这种机械手效率太低。所以本次设计针对这个缺点，设计出了一种气动翻转机械手，它在一个运动进程能实现两次抓取和翻转，提高了工作效率，加快生产效率。全文由五章构成：
关键词：气动装置；机械手;翻转装置；夹瓶器；
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 录
摘 要
Abstract
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2气动机械手的发展 1
1.2.1国外气动机械手状况 1
1.2.2国内气动机械手情况 3
1.3发展趋势 3
1.3.1重复高精度 3
1.3.2模块化 3
1.3.3无给油化 4
1.3.4 机电气一体化 4
1.4 机械手夹持部件结构示意图 4
1.4.1 外夹持型机械手 4
1.4.2 内夹持型机械手 5
1.5国内外气动机械手设计举例 5
1.5.1与模具切割相结合 5
1.5.2 机械手虚拟样机 6
1.5.3 高精度机械手 6
第2章 气动翻转机械手总体设计 8
2.1 抓取系统的初步设计 8
2.2 翻转系统的初步设计 8
2.2.1 锥齿轮电机翻转 8
2.2.2 链轮链条气缸翻转 9
2.2.3 翻转方案选择 9
2.3气动翻转机械手的三维建模、装配思路 10
2.3.1各部分零件设计 10
2.3.2 气动翻转机械手的运动学仿真 10
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及预期成果 11
第3章 气动翻转机械手重要零部件设计校核及其装配 12
3.1气缸的设计和校核 12
3.1.1 夹紧系统气缸设计和校核 12
3.1.2 翻转系统气缸设计和校核 14
3.2齿轮设计和校核 15
3.2.1齿轮参数的选择 15
3.2.2齿轮几何尺寸确定 15
3.2.3齿根弯曲疲劳强度计算 16
3.3齿条的设计和校核 18
3.3.1齿条的设计 18
3.4 固定机架上的轴设计和校核 20
3.4.1求输入轴上的功率、转速和转矩 20
3.4.2求作用在齿轮上的力 20
3.4.3 初步确定轴的最小直径 21
3.4.4轴的结构设计 21
3.4.5精确校核轴的疲劳强度 23
3.5圆锥滚子轴承的设计和校核 25
3.6键连接设计和校核 26
3.6.1输入轴键计算 26
3.6.2中间轴键计算 26
3.6.3输出轴键计算 27
3.7联轴器的设计和校核 27
第4章 三维建模和运动仿真 29
4.1 整体装配图 29
4.2夹紧系统装配图 29
4.3气缸推动和翻转系统装配图 30
4.4 气缸推动夹紧装置系统装配图 30
第5章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2展望 32
参考文献 33
致 谢 35
浙江理工大学本科毕业设计（论文）
第1章 绪论
1.1 引言
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠; 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力研发气动机械手。
1.2气动机械手的发展
1.2.1国外气动机械手状况
从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为9：1, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到6：4, 甚至接近5：5。
90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人--"阿基里斯"六脚勘测员，也被称为FESTO的"六足动物"[12]。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄--阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点
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浙江理工大学本科毕业设计（论文）
上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。
国外的设计人员对于机械手的设计理念已经非常成熟。Wright等人分析比较了机械手与人手抓取系统，并把机械手分成与机器人手臂和控制系统相兼容、安全抓取和握持对象、准确的完成复杂性任务三种类别。许多工厂的机械手的例子和机械手设计指导方针也被描述进去了。Pham等人总结了机械手在不同应用环境下设计方案应该如何选择。在他们的研究中，影响机械手如何选择的变量如下：（a）成分，（b）任务,(c)环境，（d）机械臂和控制条件。“成分”这个变量包括几何、形状、重量、表面质量和温度，这些因素都需要考虑好。对于可重构系统，他们以形状和大小为标准又把这个变量分成了其他家族。对于“任务”这个变量，除了机械手的类型、不同组成部分的数量、准确性及周期需要考虑外，还有主要的操作处理如抓取、握持、移动和放置都要考虑。在合适的地方设计核实的机械手，必须考虑所有的因素，而且验证性的测试必须要多做。为了减少疲劳效应，pham等人开发了一个用于选择机械手的专家系统。瑞典EIET ROIUX 公司于最近创造一种新产品一一气动机械手。这种机械手以压缩空气为动力, 小巧灵便,它装在一个圆形竖柱上, 该圆柱又能上下移动0 至150 mm , 左右移动350mm，机械手的最高速度为1000m/s，定位精度为500m/s;两个机械手各能举起5kg重物。
图1-1 瑞典发明的气动机械手
1.2.2国内气动机械手情况
我国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年至2003年间，气动元件产值的年第增率达24.2，高于中国机械工业产值平均年递增率10的水平。虽然市场和应用发展迅速，但是我国的气动技术与欧美、日本等国相比，还存在着相当大的差距。我国在气动技术的研究与开发的方面，缺乏先进的仪器与设备，研究开发手段落后，技术力量差，每年问世的新产品数量极其有限。在许多开发与研究领域还是空白，因此必须跟踪国外气动技术的最新发展动向，以减小差距，提高我国气动技术的水平。
1.3发展趋势
1.3.1重复高精度
精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展, 以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。
1.3.2模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置, 使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承, 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是气动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备, 特别是紧凑型CP 阀岛, 它对分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特别对机械手中的移动模块。
1.3.3无给油化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求, 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步, 新型材料(如烧结金属石墨材料) 的出现, 构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件, 不仅节省润滑油、不污染环境, 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
1.3.4 机电气一体化
由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制” 进入到高精度的“ 反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。
而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC 的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC, 而阀岛技术的发展, 又使PLC 在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。
1.4 机械手夹持部件结构示意图
1.4.1 外夹持型机械手
图1-2为一种较简单平行开闭手爪的结构。气缸的活塞有压缩空气驱动，通过活塞杆7上的支点轴2带动拨叉3转动，再通过传动轴4使手爪1沿导向槽做平行移动，图中为双作用气缸，也可为单作用气缸返回运动靠弹簧完成。该结构的特点是重量轻，体积小，最小型重量为75g，最大型为300g，因此，可以与小型机械手配套使用。
图1-2 外夹持型铰链式平行开闭手爪示意图
1.4.2 内夹持型机械手
前面介绍的是外加持机械手，下面介绍一种内加持的机械手。图1-3所示的基于铰杆-杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手, 主要由气压缸、铰杆1 和1c、杠杆2和2c组成。当压缩空气的方向控制阀处于图1所示左位工作状态时, 气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气, 推动活塞向右运动, 导致铰杆1和1c的压力角A变小, 通过角度效应第一次把输入力放大, 然后传递到恒增力杠杆机构2和2c上, 再一次将输入力进行放大, 变为夹持工件的作用力F。当方向控制阀处于右位工作状态时, 气压缸的右腔即有杆腔进入压空气, 推动活塞向左运动, 夹持机构松开工件。
图1-3 内夹持型机械手举例
1.5国内外优秀气动机械手设计举例
1.5.1与模具切割相结合
第一个是郑州轻工业学院和纺织工学院的老师设计的机械手，如图1-4所示，它是与磨具切割想配合的一种设计。如图所示，机械手由手部——手指（3）和夹紧气缸（1）、手腕——拉伸臂（2）和拉伸气缸（4）、手臂——剥离臂（5）和剥离气缸（6）以及底座（D）组成。机械手的手部采用单支点回转式活动手指配合以固定手指，在夹紧气缸（1）的作用下夹持模组橡胶衬圈上的“凸耳”。为使手指在夹持衬圈的过程中不出现滑脱现象，特在手指端部加工有锯齿型斜槽，拉伸臂（2）和剥离臂（5）在后部铰支的拉伸气缸（4）和剥离气缸（6）的作用下，分别绕支点（B）和支点（C）摆动，同时在切割装置的配合下，完成衬圈的拉伸、切割和剥离任务。机械手通过底座（D）与自动剥离机有机相连，与剥离机其他机构协调动作[9]。
图1-4 气动式机械手
1.5.2 机械手虚拟样机
第二种设计的新型气动机械手的虚拟样机如图1-5所示,其中腰部转动关节由比例流量阀式摆动气缸实现; 大臂和中臂之间的俯仰运动由比例流量阀驱动单出杆双作用直线汽缸实现。而中臂与小臂之间由可调支撑件来手动调节角度, 并配合调节小臂的螺纹连接件, 来控制机械手末端在笛卡尔空间坐标系中的位置。手抓部位的夹持力通过控制直线气缸来调节。
图1-5 机械手虚拟样机
在设计的机械手虚拟样机中, 底座与躯干以固定副相连, 躯干与大臂以转动副相连, 大臂与中臂以转动副相连, 中臂、可调支撑和小臂以固定副相连, 小臂与手腕以固定副相连, 直线气缸部位以平动副相连, 添加约束后如图所示。
1.5.3 高精度机械手
第三种如图1-6所示。机械手具备有：水平缸X轴方向移动、垂直升降缸Y轴方向运动、伸缩缸Z轴方向伸缩及伸摆缸绕Z轴选装四个自由度（手指开合不记）。由于手臂采用悬臂方式，活塞缸所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，我们用了具有良好导向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸。手指采用两只肘洁是卡爪，通过铝合金奥通和伸摆缸连接，增强了伸缩气缸的导向型和抗弯能力。手指采用自行设计的V型块，也可以根据被夹工件实际形状要求设计成不同的结构。无杆缸、升降缸和伸摆缸通过硬质铝合金连接板连接，结构简单，便于加工和连接。位移传感器和无杆缸相连，检测X轴方向位移。
图1-6 气动机械手结构图
第2章 气动翻转机械手总体设计
对气动翻转机械手的抓取系统、翻转系统和连接系统进行设计，包括抓取部件、翻转部件及连接部件和气动执行部件。根据气动执行部件来驱动抓取部件中的齿条运动，带动齿轮、齿条一起运动，最终造成两个齿条的相互运动，实现外部的抓取功能。然后通过连接部件实现两根轴在同一条线上的不同方向转动，再通过翻转部件实现两个抓取物件同时翻转的功能。
2.1 抓取系统的初步设计
如图所示，本次设计所夹取物件形状为圆柱型，即罐装瓶子之类的。原理分析如下:齿条1与夹紧臂1用螺钉连接，齿轮2与夹紧臂2也是如此；齿条1与齿条2通过齿轮连接；当推动轴由于气动装置往左推进时，这时夹紧臂1，轴带动齿条1往左动，从而带动齿轮转动，最终带动齿条2向右移动,在外部实现了夹紧被抓物件的要求。在实现翻转功能后，推动轴由于气动装置往右退回时，夹紧装置的两个叶片就会放开，从而松开被夹物件。
图2-1 夹紧装置二维图
2.2 翻转系统的初步设计
2.2.1 锥齿轮电机翻转
图2-2 翻转系统1
原理说明：通过电机推动底下的齿轮1转动，同时斜齿轮1也跟着转动，由图可见斜齿轮2和斜齿轮3也跟着以相反方向转动。由于夹紧装置与斜齿轮的转动轴固定，则两个夹紧装置也会以相反方向实现翻转，即一个运动进程实现两次抓取和不同方向的翻转。
2.2.2 链轮链条气缸翻转
图2-3 翻转系统2
原理说明：通过底下气缸推动齿条1向后方向移动（这时链轮1由于齿条的运动而转动；由于夹紧装置1的转动轴与链条1的转动轴固定，所以夹紧装置也跟着转动），带动齿轮转动，再带动齿条2向下移动（与齿条1方向相反），带动链条2以与链条1相反的方向运动，最终使夹紧装置2产生与夹紧装置1相反方向的转动。这时就实现了一个运动进程实现两次抓取和不同方向的翻转。
2.2.3 翻转方案选择
由于第一种方案中的齿轮斜齿轮和斜齿条的配合在实际生产中比较难以加工，制作成本和要求都很大；第一种方案的动力驱动为电机驱动，不符合本次设计气压驱动的要求，而且电机驱动传动效率也不高；相比较而言，第二种方案的链轮链条设计制作成本较低，设计简单容易实现，驱动方式为气缸驱动，符合本次设计要求；所以经过最后的校核和评估，本次设计采用低二种方案。
2.3气动翻转机械手的三维建模、装配思路
2.3.1各部分零件设计
气动翻转机械手各部分的具体结构设计，利用Pro/Engineer软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。分别对各个零件进行建模，再装配分析是否出现尺寸大小不配套还有运动机构卡死等问题，如果有的话必须调整方案或数据。最后通过改进实现最后的装配。装配完后进行投影二维图纸并标注，某些重要的零部件要进行剖视处理。最后得到较好的装配图、二维图纸和三维图纸。
2.3.2 气动翻转机械手的运动学仿真
通过建立的三维模型，进行运动学仿真分析，分抓取系统、气动驱动和翻转系统三个阶段进行动力学分析。运动仿真时要看能不能运动的起来，确保气动翻转机械手实现翻转和气动的功能。
本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在前人的基础上，通过三维Pro/E环境完成气动翻转机械手的设计仿真，并对其进行初步的运动学分析。对
目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。
Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维CAD 设计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,Pro/Engineer 软件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段[9]。
运用Pro/ E三维设计平台,通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的气动翻转机械手,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成气动翻转机械手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及预期成果
气动翻转机械手Pro/ E运动学仿真分:运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。
本次毕业设计以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立气动翻转机械手的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立气动翻转机械手的三维CAD模型，然后完成气动翻转机械手的装配，设置机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的气动翻转机械手的仿真模型。
可行性分析:抓取和翻转系统的结构设计和研究是机械手方面研究的基础。因此，对具有理想结构的抓取和翻转系统进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行抓取和翻转系统的结构设计研究，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对机械手进行研究, 使机械手能比较完美的在抓取和翻转物体。在前人研究工作基础上，本设计论文进行气动翻转机械手设计与仿真，在基本原理上是可行的。
本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识，以及Pro/ E设计工具，本人已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。
指导老师在气动翻转机械手的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。
第3章 气动翻转机械手重要零部件设计校核及其装配
3.1气缸的设计和校核
3.1.1 夹紧系统气缸设计和校核
根据实验设计要求，气动翻转机械手气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为63/63。
（1）在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力：
（3-1）
（2）.测定手腕质量和重物的质量之和为7kg,设计加速度，则惯性力
（3-2）
（3）.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数。
=70×0.2=14 （3-3）
=70+14=84 （3-4）
所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。
（2）活塞杆的计算
1）按强度条件计算：当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d。
（3-5）
式中为气缸的推力（N）；
活塞杆材料的许用应力(Pa)；
材料的抗拉强度（Pa）；
安全系数，S≥1.4。
按纵向弯曲极限力计算：气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比 时
（3-6）
当长细比 时
（3-7）
式中活塞杆计算长度（m）
—活塞杆横截面回转半径（m），
实心杆：
（3-8）
空心杆：
（3-9）
为活塞杆横截面惯性矩，
实心杆：
（3-10）
空心杆：
（3-11）
空心活塞杆内径直径（m）；
活塞杆截面积
实心杆：
（3-12）
空心杆：
（3-13）
为系数，
为为材料弹性模量，对钢取；
为材料强度实验值，对钢取；
为系数，对钢取
3.1.2 翻转系统气缸设计和校核
（1）尺寸设计：此部分选用单片叶片式摆动气马达需设计其叶片内直径与叶片轴直径计算公式如下：
(3-14)
叶片宽度设计为b=9mm,气缸内径为D1=53mm, 轴径D2=13mm, ,叶片数n=1,,
则理论驱动力矩 ：
(3-15)
=12.276
（2）尺寸校核：测定参与手臂转动的部件的质量=2kg,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径=53mm的圆盘上，那么转动惯量：
(3-16)
=2×0.053×0.053/2
=0.03（）
(3-17)
=0.03×(180/1)=5.4
考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数,
(3-18)
=0.2×5.4=1.08
总驱动力矩
(3-19)
=5.4+1.08=6.48
故设计尺寸满足使用要求。
3.2齿轮设计和校核
3.2.1齿轮参数的选择
齿轮模数值取值为=5，主动齿轮齿数为=6，压力角取=20°，齿轮螺旋角为=，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为，齿轮传动力矩25，转向器每天工作8小时，使用期限不低于5年．
主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
3.2.2齿轮几何尺寸确定
齿顶高：
(3-20)
齿根高：
(3-21)
齿高：
(3-22)
分度圆直径：
(3-23)
齿顶圆直径：
(3-24)
齿根圆直径：
(3-25)
基圆直径：
(3-26)
法向齿厚为：
(3-27)
端面齿厚为：
(3-28)
分度圆直径与齿条运动速度的关系：
(3-29)
齿距：
由于齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。
(3-30)
齿轮中心到齿条基准线距离：
(3-31)
3.2.3齿根弯曲疲劳强度计算
1齿轮精度等级、材料及参数的选择
（1）齿轮模数值取值为，主动齿轮齿数为，压力角取=20°.
（2）主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间，取值60HRC.
（3）齿轮螺旋角初选为=°
2齿轮的齿根弯曲强度设计
(3-32)
⑴试取=。
⑵斜齿轮的转矩=25。
⑶取齿宽系数。
⑷齿轮齿数。
⑸复合齿形系数=。
许用弯曲应力：
(3-33)
为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。
(3-34)
试取。
⑹圆周速度
(3-35)
取
(3-36)
⑺计算载荷系数
① 查表得使用系数=1
② 根据和8级精度，查表得
③ 查表得齿向载荷分布系数
④ 查表得齿间载荷分布系数
(3-37)
⑤ 修正值计算模数
＝ (3-38)
故前取不变。
3齿面接触疲劳强度校核
校核公式为
(3-39)
（1）许用接触应力
查表得，。安全系数。
(3-40)
（2）查表得弹性系数。
（3）查表得区域系数。
（4）重合度系数
(3-41)
（5）螺旋角系数
＝ (3-42)
由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。
3.3齿条的设计和校核
3.3.1齿条的设计
根据齿轮齿条的啮合特点:
（1）齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合.
（2）齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角，因此齿条模数,压力角齿条断面形状选取圆形，选取
齿数：
螺旋角：
端面模数：
(3-43)
端面压力角：
(3-44)
法面齿距：
(3-45)
端面齿距：
(3-46)
齿顶高系数：
(3-47)
法面顶隙系数：
齿顶高：
(3-48)
齿根高：
(3-49)
齿高：
(3-50)
法面齿厚：
(3-51)
端面齿厚：
(3-52)
3.4 固定机架上的轴设计和校核
3.4.1求输入轴上的功率、转速和转矩
3.4.2求作用在齿轮上的力
已知高速级小圆锥齿轮的分度圆半径为
(3-53)
而
(3-54)
圆周力、径向力及轴向力的方向如图3-1所示
图3-1 轴内力图
3.4.3 初步确定轴的最小直径
先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢（调质）,取，得，输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。
联轴器的计算转矩,由于转矩变化很小，故取，则
查《机械设计（机械设计基础）课程设计》表17-4，选HL2型弹性柱销联轴器，其公称转矩为160000，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为。
3.4.4轴的结构设计
1拟定轴上零件的装配方案（见图3-2）
图3-2 轴内力图
2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
⑴为了满足半联轴器的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径。
⑵初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据，由《机械设计（机械设计基础）课程设计》表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30306，其尺寸为，，而。这对轴承均采用轴肩进行轴向定位，由《机械设计（机械设计基础）课程设计》表15-7查得30306型轴承的定位轴肩高度，因此取。
⑶取安装齿轮处的轴段6-7的直径；为使套筒可靠地压紧轴承，5-6段应略短于轴承宽度，故取。
⑷轴承端盖的总宽度为20mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑油的要求，求得端盖外端面与半联轴器右端面间的距离，故取。
⑸锥齿轮轮毂宽度为55mm，为使套筒端面可靠地压紧齿轮取。
⑹由于，故取。
3轴上的周向定位
圆锥齿轮的周向定位采用平键连接，按由《机械设计（第八版）》表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为50mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为。
4确定轴上圆角和倒角尺寸
取轴端倒角为。
5求轴上的载荷
表1 轴上的载荷
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F
弯矩M
总弯矩
扭矩T
6按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
(3-55)
前已选定轴的材料为45钢（调质），由《机械设计（第八版）》表15-1查得，故安全。
3.4.5精确校核轴的疲劳强度
1判断危险截面截面5右侧受应力最大
2截面5右侧抗弯截面系数
(3-56)
抗扭截面系数
(3-57)
截面5右侧弯矩M为
(3-58)
截面5上的扭矩为
(3-59)
截面上的弯曲应力为
(3-60)
截面上的扭转切应力为
(3-61)
轴的材料为45钢，调质处理。由表15-1查得，，。截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按《机械设计（第八版）》附表3-2查取。因， ，经插值后查得，，又由《机械设计（第八版）》附图3-2可得轴的材料敏感系数为，故有效应力集中系数为
由《机械设计（第八版）》附图3-2的尺寸系数，扭转尺寸系数。轴按磨削加工，由《机械设计（第八版）》附图3-4得表面质量系数为，轴未经表面强化处理，即，则综合系数为
又取碳钢的特性系数
计算安全系数值
故可知安全。
3.5圆锥滚子轴承的设计和校核
初步选择滚动轴承，由《机械设计（机械设计基础）课程设计》表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30306，其尺寸为， ，，
表2 支反力
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F
则
则
则
，
则
则
故合格。
3.6键连接设计和校核
3.6.1输入轴键计算
1校核联轴器处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：，
，故单键即可。
2校核圆锥齿轮处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：，
，故单键即可。
3.6.2中间轴键计算
1校核圆锥齿轮处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：，，故单键即可。
2校核圆柱齿轮处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度则键联接所能传递的转矩为：，，故单键即可。
3.6.3输出轴键计算
1校核联轴器处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：
，故单键即可。
2校核圆柱齿轮处的键连接
该处选用普通平键尺寸为，接触长度，则键联接所能传递的转矩为：
(3-63)
，故设计双键。
3.7联轴器的设计和校核
在轴的计算中已选定联轴器型号。
输入轴选HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为160000，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为。
输出轴选选HL3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为。
第4章 三维建模和运动仿真
基于以上的计算和校核，可以在三维软件中进行建模，现在把所建的重要三维模型显示如下。气动翻转机械手的三维模型的建立是和其结构设计同时进行的，悬架的三维模型可以使设计的悬架各个部件的相互位置和装配关系更加直观，能够直接检验装配关系是否正确。
完成各个部件的三维模型后，再利用结构设计的各个零件的相互关系进行整体装配。图4-1所示的是气动翻转机械手整体装配好以后的状态模型。
4.1 整体装配图
如图4-1所示，本次所设计的气动翻转机械手，是由两个夹紧装置和一个翻转系统构成。由于本此时机械手的部件设计，所以翻转系统的固定外壳以及固定标准件都没有画出。由本图可看出，本次设计的气动翻转机械手已经基本完成了一个运动进程实现夹紧装置的两次不同方向翻转的功能，符合本次设计的要求。
图4-1 整体装配
4.2夹紧系统装配图
夹紧系统的三维建模很好的实现了当初的设计目标，即以气缸为驱动力推动齿轮齿条运动，使得外部的夹紧装置相中间夹紧。当夹紧装置夹紧物件时，机械手就可以开始进行下一个动作，即翻转。
图4-2 夹取系统
4.3气缸推动和翻转系统装配图
翻转系统实现的目的就是让两边的夹紧装置以相反方向进行翻转，这里着重要提及的就是相反方向的翻转，只有建立在相反方向的基础上，这套构思和这套方案才有意义。还有，由图4-3可知，链条的链结是通过一块小铁板焊接在齿条的背部的，由于气动翻转机械手只实现来回的翻转运动，所以链条底部和齿条固定的地方也只实现来回的平移运动，它运动的距离不会使它进入链轮的旋转范围之内的。
图4-3 气缸推动和翻转
4.4 气缸推动夹紧装置系统装配图
气缸推动的原理即通过气缸内的封闭性，在外界通入空气时，内外气压变得不同，从而推动气缸内的滑块运动。
图4-4 气缸推动
第5章 总结与展望
5.1总结
本次设计主要设计了一套气动翻转机械手部件，功能为将工件移位并实现翻转动作。在设计方面满足了设计方案及结构设计合理，图纸满足生产要求。本文主要完成以下工作：
（1）气动翻转机械手部件的结构设计
包括夹紧部件、翻转部件、气缸推动部件。根据气缸推动部件独立驱动、独立转向的功能要求，进行驱动传动装置及转向装置的设计，同时采用相反方向翻转设计实现相反方向转动的功能。
（2）气动翻转机械手部件的设计和校核
根据气动翻转机械手的特点对各个机械手的零件进行了校核，校核是各个零件要满足校核条件，不满足的要重新设计再校核。
（3）八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真
通过建立的三维模型，对夹紧和翻转系统进行仿真。
5.2展望
在基本完成课题目标的基础上，仍有一些方面需要加强。由
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