機械手設計畢業(yè)論文-

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1、摘 要 摘　　要 本設計為沖床上料機械手設計。基本參數為：升降行程135mm，手臂回轉角度為105。此機械手能以34次 /分的頻率，傳送重0.5公斤重的硒鋼片。 該機械手采用氣壓傳動方式驅動，氣缸最大壓力為0.7MPa，為提高氣缸活塞密封的可靠性，活塞采用2個O型環(huán)密封。機械手的的抓取部分為吸附式，采用2個型號為ZP16UN的真空吸盤，吸盤提升力由真空泵提供。機械手工作時，氣缸推動活塞桿作升降運動?；钊麠U的中部裝有一個深溝球軸承，當活塞桿上下運動時，軸承沿導向筒上的螺旋槽移動。活塞軸與手臂相連，當活塞軸作上升運動時，帶動裝有真空吸盤的吸附式手臂作邊上升邊回轉的復合運動，將被沖壓件送到沖

2、床上；當活塞軸作下降運動時，帶動裝有真空吸盤的吸附式手臂作邊下降邊回轉的復合運動，使機械手回到初始狀態(tài)，完成一個上料循環(huán)。 關鍵詞：沖床 機械手 氣壓傳動 I Abstract Abstract KeyWords：沖床 機械手 氣壓傳動 IV 目 錄 目　　錄 摘　　要 I Abstract II 1 工業(yè)機械手的發(fā)展概況 1 1.1 工業(yè)機械手定義 1 1.2 工業(yè)機械手發(fā)展概況 1 2 工業(yè)機械手整體介紹 4 2.1 工業(yè)

3、機械手的分類 4 2.2 機械手的特點 5 2.3 工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用 5 3 工業(yè)機械手設計方案 7 3.1 工業(yè)機械手的組成 7 3.2 規(guī)格參數 8 3.3 坐標選擇與分析 8 3.4 驅動系統(tǒng)選擇與分析 9 3.4.1驅動系統(tǒng)的分類 9 3.4.2 驅動系統(tǒng)的選擇原則 9 3.4.3 驅動系統(tǒng)的選擇 10 3.5 設計路線與方案 11 3.5.1 設計步驟 11 3.3.2 研究方法和措施 11 4 真空吸盤和真空泵的選用 13 4.1 真空吸盤 13 4.1.1 吸盤的材料 13 4.1.2 真空吸盤的作用 13 4.1.3 吸盤的型

4、號表示方法 13 4.1.4 理論吸吊力 13 4.1.5 吸盤的外形尺寸 15 4.1.6 真空吸盤的選用 18 4.2 真空泵 19 4.2.1 真空泵的定義 19 4.2.2 真空泵的分類 19 4.2.3 真空泵的用途 20 4.2.4 真空泵選取的注意事項 20 4.2.5 真空泵的選取 21 5 強度校核 23 5.1 機械懸臂的校核 23 5.2 活塞軸的校核 29 5.3 軸承校核 31 5.4 軸承用螺釘校核 35 6 密封與潤滑 36 6.1 氣缸的上下端蓋的密封 36 6.2 活塞的密封 37 6.3 活塞軸的密封 38 6.4

5、潤滑 39 6.4.1 氣缸活塞潤滑 39 6.4.2 軸承潤滑 40 結 論 41 參考文獻 42 致 謝 44 工業(yè)機械手的發(fā)展概況 1 工業(yè)機械手的發(fā)展概況 1.1 工業(yè)機械手定義 機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序軌跡極其它要求，實現抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數工業(yè)機器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。 1.2 工業(yè)機械手發(fā)展概況 工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的.我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關開

6、始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關,目前已經基本掌握了機械手操作機的設計制造技術,控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術,運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，孤焊機器人已經應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。如：可靠性低于國外產品，機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。影響我國機械手發(fā)展的關鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結構。目前工業(yè)機械手仍大量應用在

7、制造業(yè)，其中汽車工業(yè)占第一位（占28.9%），電器制造業(yè)第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。發(fā)達國家汽車行業(yè)機械手應用占總保有量百分比為23.4%～53%，年產每萬輛汽車所擁有的機械手數為（包括整車和零部件）：日本88.0臺，德國64.0臺，法國32.2臺，英國26.9臺，美國33.8臺，意大利48.0臺。 世界工業(yè)機械手的數目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能

8、化轉變，并且隨著電子技術的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。 上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用

9、OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現可以通過編程實現。 國內外實際使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能夠對所抓取的工件進行分辨，能選取所需要的工件，并正確的夾持工件，進而精確地在機器上定位、定向。 為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。 為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當的握力；另一種是直接檢測指部與物件的滑動

10、位移，來修正握力。 因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能： (1）能準確地抓住方位變化的物體； (2）能判斷對象的重量； (3)能自動避開障礙物； (4)抓空或抓力不足時能檢測出來。 這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”，它是有發(fā)展前途的。 現在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調重復的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部分，機械手的應用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序，其原因是，工

11、業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小，這是主要原因。經濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應用必將會飛躍發(fā)展。 上料機械手和卸料機械手相對，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型機鋁棒料的搬運及高溫棒料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑可達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據作用要求和載荷情況，機械手各關節(jié)

12、運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現可以通過編程實現。 隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產加工中的廣泛應用。轎車半軸加工上料機械手設計在綜合多種機械手的設計原理和設計思想，根據轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論基礎，設計水平和應用價值。 隨著工業(yè)技術

13、的發(fā)展，工業(yè)機器人與機械手的應用范圍不斷擴大，其技術性能也在不斷提高。在國內，應用于生產實際的工業(yè)機器人特別是示教再現性機器人不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。在國外應用于生產實際的工業(yè)機器人多為示教再現型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人是工業(yè)機器人技術的發(fā)展方向。 12 工業(yè)機械手整體介紹 2 工業(yè)機械手整體介紹 2.1 工業(yè)機械手的分類 現在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類： 1

14、.微型的—搬運重量在1公斤以下： 2.小型的—搬運重量在10公斤以下： 3.中型的—搬運重量在50公斤以下： 4.大型的—搬運重量在50公斤以上。 目前大多數工業(yè)機械手能搬運的重量為1～30公斤。最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。 按功能分類： 1． 簡易型工業(yè)機械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓和擋塊轉鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉動控制來給定程序。 這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數量最多。 2． 記憶再現型工業(yè)機械手 這種工業(yè)機械

15、手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。 這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。 3． 計算機數字控制的工業(yè)機械手 可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。 4． 智能工業(yè)機械手（機器人） 由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機構等。 按用途分： 1． 專用機械手 附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象

16、不變，手動比較簡單，結構簡單，使用可靠，施用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。 2． 通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。 2.2 機械手的特點 （1） 對環(huán)境的適應性強 能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據工作環(huán)境進行合理的設計，選擇適當的材料和結構，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。 （2） 機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調

17、的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。 （3） 由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可以避免人為的操作錯誤。 （4） 機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應產品的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。 （5） 采用機械手能明顯的提高勞動生產率和降低成本。 2.3 工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用 工業(yè)機械手在生產中的應用非常廣泛，還可以歸納為以下的一些方面： 1. 建造旋轉零件體自動線方面 建造旋轉零件體（軸類、盤類、環(huán)類零件）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。 2. 在實現單機自動化方面 (1)各類半自動車床，有自行夾緊、進刀

18、、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機械手，可實現全自動化生產。 (2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現全自動生產。 (3)沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現沖壓上產自動化。 3. 鑄、鍛、焊、熱處理等方面 總的來說，由于工業(yè)機械手的特點滿足了社會生產的需要，進而帶來了經濟效益。 因為采用機械手最明顯的特點是提高勞動生產率和降低成本。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機

19、結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。例如：在機床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調重復易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險場合下工作等。 工業(yè)機械手設計方案 3 工業(yè)機械手設計方案 3.1 工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制部分所組成，各部分關系如下框圖： 　　　　　　 圖1 工業(yè)機械手各部分關系圖 執(zhí)行機構： 執(zhí)行機構包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和

20、行走機構等運動部件所組成。 1. 手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型。傳動機構形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。吸附類最常見的主要有吸盤式，本設計主要考慮吸盤式手部設計。 吸盤式手部是由吸盤，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取盤類零件。 2.腕部：是聯接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物體的方位。 3.臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到給定位置。 4.行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行

21、走機構。 驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。 控制系統(tǒng)：有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。 機身：它是整個工業(yè)機械手的基礎。 3.2 規(guī)格參數 工業(yè)機械手的規(guī)格參數是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面： 　　1.抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤； 　　2.自由度數目和坐標形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式； 　　3.定位方式：固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其他各種位置設定和檢測裝置； 　　4.驅動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式； 　　5.手臂運動參數； 　　6.手腕運動參數

22、； 　　7.吸盤夾持范圍和握力； 　　8.定位精度：位置設定精度和重復定位精度； 　　9.輪廓尺寸：長寬高（毫米）； 　　10.重量：整機重量。 3.3 坐標選擇與分析 為實現機械手的末端執(zhí)行器在空間的位置，可以有不同的運動組合，通?？梢詫⑵湓O計成如下五種形式。 1.圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉動兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 2.直角坐標型 直角坐標型機器人，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接

23、讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結構簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。 3.球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作范圍大的特點，但是結構比較復雜。 4.關節(jié)型 關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的

24、工件。 5.平面關節(jié)型 采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)控制上下運動，其工作空間的軌跡圖形如圖所示，它的縱截面為一矩形的回轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長兩回轉關節(jié)的轉角的大小決定了回轉體截面的大小、形狀。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的接插、裝配中應用廣泛。 根據本次設計的要求，考慮其復雜程度選擇圓柱坐標型。 3.4 驅動系統(tǒng)選擇與分析 3.4.1驅動系統(tǒng)的分類 驅動系統(tǒng)按照動力源分為液壓、氣壓和電動三大類，根據需要，也可以

25、將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。 1）液壓驅動 液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。 2）氣壓驅動 具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中。難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中，在上下料和沖壓機械手中應用較多。 3）電動驅動 隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅動器的廣泛采用，這種驅動系統(tǒng)被大量選用。 3.4.2 驅動系統(tǒng)的選擇原則 一般情況下機器人驅動系統(tǒng)的選擇大致按照如下原則進行選擇： 1）物料搬運用有限點位控制的程序控制機器人，

26、重負載用液壓驅動，中等載荷可選用電動驅動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多用氣動驅動系統(tǒng)。 2）用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)，需采用液壓驅動或電動驅動系統(tǒng)方能滿足要求。 3.4.3 驅動系統(tǒng)的選擇 根據本次設計的要求，加工工件為0.5Kg的矽鋼片，屬于輕載荷，故選用氣動驅動系統(tǒng)。 氣壓傳動的特點是:工作壓力低,一般為0.3～0.8兆帕，氣體粘度小，管道阻力損失小，便于集中供氣和中距離輸送，使用安全，無爆炸和電擊危險，有過載保護能力；但氣壓傳動速度低，需要氣源。 氣動元件的優(yōu)點： 1、 氣動裝置結構簡單、輕便、安裝維護

27、簡單。介質為空氣，較之液壓介質來說不易燃燒，故使用安全。 　　 2、 工作介質是取之不盡的空氣、空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，成本低。 3、 輸出力以及工作速度的調節(jié)非常容易。氣缸的動作速度一般小于1M/S，比液壓和電氣方式的動作速度快。 　　 4、 可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作次數約為百萬次，而一般電磁閥的壽命大于3000萬次，某些質量好的閥超過2億次。 　　 5、 利用空氣的壓縮性，可貯存能量，實現集中供氣。可短時間釋放能量，以獲得間歇運動中的高速響應。可實現緩沖。對沖擊負載和過負載有較強的適應能力。在一定條件下，可使氣動裝置有自保持能力。 　　 6、 全

28、氣動控制具有防火、防爆、防潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場合使用。 　　 7、由于空氣流動損失小，壓縮空氣可集中供應，遠距離輸送。 氣動元件的缺點： 1、 由于空氣有壓縮性，氣缸的動作速度易受負載的變化而變化。采用氣液聯動方式可以克服這一缺陷。 　　 2、 氣缸在低速運動時候，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸的低速穩(wěn)定性不如液壓缸。 　　 3、雖然在許多應用場合，氣缸的輸出力能滿足工作要求，但其輸出力比液壓缸小。 3.5 設計路線與方案 3.5.1 設計步驟 1.查閱相關資料； 2.確定研究技術路線與方案構思； 3.結構和運動學分析； 4.根據所給技術參數進

29、行計算； 5.按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核； 6.繪制工作裝配圖草圖； 7.繪制總圖及零件圖等； 8.總結問題進行分析和解決。 3.3.2 研究方法和措施 使用現代機械設計方法和氣壓傳動技術進行設計，采用滑槽杠桿式。 真空吸盤及真空泵的選用 4 真空吸盤和真空泵的選用 4.1 真空吸盤 4.1.1 吸盤的材料 吸盤材料：丁腈橡膠（黑色）(N) ，硅橡膠（白色）(S)，聚氨脂橡膠（褐色）(U)，氟化橡膠（帶綠色標記的黑色)(F)。 4.1.2 真空吸盤的作用 真空吸盤是真空系統(tǒng)中的執(zhí)行

30、元件，用于將表面光滑而且平整的工件吸起并保持住，柔軟又有彈性的吸盤確保不會損壞工件。 4.1.3 吸盤的型號表示方法 圖2 吸盤的型號表示方法 4.1.4 理論吸吊力 真空吸盤的外徑稱為公稱直徑，其吸持工件被抽空的直徑稱為有效直徑D。真空吸盤的理論吸吊力（水平提升升力）F為： 其中，-真空度， -真空吸盤的有效直徑（吸盤的內徑）， -吸盤的有效吸著面積， 真空度：“真空度”顧名思義就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設備的一個主要參數。 所謂“真空“，

31、是指在給定的空間內，壓強低于101325帕斯卡(也即一個標準大氣壓強約101KPa)的氣體狀態(tài)。 　　 在真空狀態(tài)下，氣體的稀薄程度通常用氣體的壓力值來表示，顯然，該壓力值越小則表示氣體越稀薄。若所測設備內的壓強低于大氣壓強，其壓力測量需要真空表。從真空表所讀得的數值稱真空度。真空度數值是表示出系統(tǒng)壓強實際數值低于大氣壓強的數值，即： 真空度=(大氣壓強—絕對壓強）。 這樣，若已有一個真空吸盤，只需要設定真空度，就可以計算吸盤的理論吸吊力（水平提升升力）。 圖3 吸盤的理論吸吊力 表1 吸盤水平提升升力表

32、 4.1.5 吸盤的外形尺寸 吸盤按照外形來分，可以分為三種：平形吸盤、平形帶肋吸盤、深形吸盤。具體結構及尺寸見下圖： 圖4 平形吸盤具體結構 表2 平形吸盤尺寸參數表 圖5 平形帶肋吸盤具體結構 表3 平形帶肋吸盤尺寸參數表 圖6 深形吸盤具體結構 表4 深形吸盤尺寸參數表 4.1.6 真空吸盤的選用 根據設計要求，被吸持工件為0.5Kg的硒鋼片，故實際所需水平吸吊力為（安全系數取4）： 本設計選用2個平形吸盤，材料選用丁腈橡膠（N），則每

33、個吸盤所需提供的吸吊力為9.8N。 根據上述實際所需吸吊力，查吸盤水平提升升力表，真空度為500mmHg，選取吸盤直徑為16mm。 綜上，吸盤型號確定為：ZP16UN 4.2 真空泵 4.2.1 真空泵的定義 真空泵是用各種方法在某一封閉空間中產生、改善和維持真空的裝置。 真空泵可以定義為：利用機械、物理、化學或物理化學的方法對被抽容器進行抽氣而獲得真空的器件或設備。 隨著真空應用的發(fā)展，真空泵的種類已發(fā)展了很多種，其抽速從每秒零點幾升到每秒幾十萬、數百萬升。按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，即氣體傳輸泵和氣體捕集泵。隨著真空應用技術在生產和科學研究領域中對其應用

34、壓強范圍的要求越來越寬，大多需要由幾種真空泵組成真空抽氣系統(tǒng)共同抽氣后才能滿足生產和科學研究過程的要求，由于真空應用部門所涉及的工作壓力的范圍很寬，因此任何一種類型的真空泵都不可能完全適用于所有的工作壓力范圍，只能根據不同的工作壓力范圍和不同的工作要求，使用不同類型的真空泵。為了使用方便和各種真空工藝過程的需要，有時將各種真空泵按其性能要求組合起來，以機組型式應用。 4.2.2 真空泵的分類 真空泵分類廣泛，按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，即氣體傳輸泵和氣體捕集泵。氣體傳輸泵是一種能使氣體不斷的吸入和排出，借以達到抽氣目的的真空泵。氣體捕集泵是一種使氣體分子被吸附或凝結在

35、泵的內表面上，從而減小了容器內的氣體分子數目而達到抽氣目的的真空泵。 氣體輸送泵包括：1、液環(huán)真空泵（水環(huán)式真空泵）2、往復式真空泵3、旋片式真空泵4、定片式真空泵5、滑閥式真空泵6、余擺線真空泵7、干式真空泵8、羅茨真空泵9、分子真空泵10、牽引分子泵11、復合式真空泵12、水噴射真空泵13、氣體噴射泵14、蒸汽噴射泵15、擴散泵等。氣體捕集泵包括：吸附泵和低溫泵等。工業(yè)中應用最多的是水環(huán)式真空泵和旋片式真空泵等。 　　 按其真空度可以分為：粗真空、高真空、超高真空三大類。 4.2.3 真空泵的用途 真空泵是一種旋轉式變容器，真空泵須有前級泵配合方可使用，在較寬的壓力范圍內有較大的抽

36、速，對被抽除氣體中含有灰塵和水蒸汽不敏感，廣泛用于塑料機械、農藥化工、染料化工、磚瓦機械、低溫設備、造紙機械、醫(yī)藥化工、食品機械、工業(yè)電爐、電子行業(yè)、真空設備、化肥、冶金、石油、礦山、地基處理等領域。 4.2.4 真空泵選取的注意事項 真空泵的作用就是從真空室中抽除氣體分子，降低真空室內的氣體壓力，使之達到要求的真空度。概括地講從大氣到極高真空有一個很大的范圍，至今為止還沒有一種真空系統(tǒng)能覆蓋這個范圍。因此，為達到不同產品的工藝指標、工作效率和設備工作壽命要求、不同的真空區(qū)段需要選擇不同的真空系統(tǒng)配置。為達到最佳配置，選擇真空系統(tǒng)時，應考慮下述各點： 1.確定工作真空范圍 首先必須檢查

37、確定每一種工藝要求的真空度。因為每一種工藝都有其適應的真空度范圍，必須認真研究確定之。 2.確定極限真空度 在確定了工藝要求的真空度的基礎上檢查真空泵系統(tǒng)的極限真空度，因為系統(tǒng)的極限真空度決定了系統(tǒng)的最佳工作真空度。一般來講，系統(tǒng)的極限真空度比系統(tǒng)的工作真空度低20%，比前級泵的極限真空度低50%。 3.被抽氣體種類與抽氣量 檢查確定工藝要求的抽氣種類與抽氣量。因為如果被抽氣體種類與泵內液體發(fā)生反應，泵系統(tǒng)將被污染。同時必須考慮確定合適的排氣時間與抽氣過程中產生的氣體量。 4.真空容積 檢查確定達到要求的真空度所需要的時間、真空管道的流阻與泄漏。 　　考慮達到要求真空度后在一定工藝

38、要求條件下維持真空需要的抽氣速率。 5.主真空泵的選擇計算 　　s=2.303v/tlog(p1/p2) 　　 其中： s為真空泵抽氣速率(l/s) 、v為真空室容積(l)、t為達到要求真空度所需時間(s)、p1為初始真空度 、p2為要求真空度。 4.2.5 真空泵的選取 本次設計采用揚子江泵業(yè)生產的2XZ-0.25型真空泵，具體信息及參數如下： 2XZ系列真空泵為雙級直聯結構，它的工作性能由高壓級與低壓級二部分組成，它的吸入口與真空設備連接，在運轉時容器內的氣體將大量吸入與排出，當設備獲得真空時，高壓級排氣閥封閉，高壓級吸入的氣體將轉送到第二級，并經第二級吸入與排出，這樣真空設備

39、可獲得一定的真空，該泵的技術參數為610-2,泵與電機連軸，高轉速，外型小，結構緊湊，流動性工作方便。 圖7 2XZ-0.25型真空泵 2XZ型旋片式真空泵性能參數（本設計選取2XZ-0.25型） 型號 2XZ-0.25 2XZ-0.5 2XZ-1 2XZ-2 2XZ-4 2XZ-8 形式 直聯雙級串聯旋片式 抽氣速率 升/秒 0.25 0.5 1 2 4 8 極限真空 Pa 610-1 610-2 轉速 轉/分 1400 進氣口直經 mm Φ10 Φ13 Φ13 Φ19 Φ19 Φ32 用油量 MI 0.

40、3 0.42 0.4 0.48 0.55 0.7 泵油溫升 ℃ 40 40 40 45 45 60 電機功率 kW 0.12 0.18 0.25 0.37 0.55 0.75 外型尺寸 毫米 長 400 445 445 478 518 510 寬 125 125 125 148 148 165 高 224 256 256 227 227 282 重量 Kg 15 18 19 27 30 35 噪音 分貝 64 64 66 68 70 74

41、 表5 2XZ型旋片式真空泵性能參數 22 強度校核 5 強度校核 5.1 機械懸臂的校核 計算與說明 主要結果 1. 將機械懸臂簡化為一簡支梁，畫出簡圖。 2. 畫垂直面受力圖，求出垂直面支反力 a.懸臂自重(均載荷) b.吸盤及其附件以及工件 吸盤底座（粗算） 吸盤和吸盤連桿 工件 故，綜上 3. 求出水平面支反力 該懸臂在水平面上不受力，故不予考慮。

42、4. 求懸臂端點處撓度 由受力分析可知，懸臂端點處的撓度由懸臂自重和端點處所受的合力（吸盤底座、吸盤連桿、吸盤和工件）疊加而成，可分開計算。 a.只考慮懸臂自重 1）懸臂梁的固定端約束了端截面的移動和轉動， 故有垂直反力和反作用力偶。 由平衡方程和，求得 2）選取坐標系如圖所示。在距原點為x的橫截面的左側，有支反力、和集度為q的均布載荷，但在截面右側只有均布載荷。所以，宜用截面右側的外力來計算剪力和彎矩。 3）匯出剪力圖和彎矩圖。 4）求撓曲

43、線方程 由公式（6.5）（《材料力學》），得撓曲線的微分方程為 積分得 在固定端A，轉角和撓度均應等于零，即 當時， 把以上邊界條件帶入上述積分方程，得 再將所得積分常數帶回積分式，得轉角方程和撓曲線方 程分別為

44、查表2.2（《材料力學》）， 45鋼的彈性模量取200GPa 以截面B的橫坐標代入以上兩式，得截面B的轉角和撓度分別為 為負，表示截面B的轉角是順時針的。也為負，表示B點的撓度向下。 令，，， ，得 a.只考慮端點合力 1）懸臂梁的固定端約束了端截面的移動和轉動，故有垂 直反力和反作用力偶。 由平衡方程和，求得

45、 2）選取坐標系如圖所示。計算剪力和彎矩。 3）匯出剪力圖和彎矩圖。 4）求撓曲線方程 由公式（6.5）（《材料力學》），得撓曲線的微分方程為 積分得 在固定端A，轉角和撓度均應等于零，即 當時， 把以上邊界條件帶入上述積分方程，得

46、 再將所得積分常數帶回積分式，得轉角方程和撓曲線方程分別為 以截面B的橫坐標代入以上兩式，得截面B的轉角和撓度分別為 為負，表示截面B的轉角是順時針的。也為負，表示B點的撓度向下。 令 ，，， ，得 綜上，懸臂在端點處的撓度為 查表11-6（《機械設計》），軸的許用撓度[y] 懸臂的實際撓度小于許用撓度，故該懸臂的彎曲強度能滿足要求。

47、

48、 懸臂的強度足夠 圖8 懸臂受力簡圖、受力圖、剪力圖、彎矩圖 5.2 活塞軸的校核 計算與說明 主要結果 抗壓強度校核（活塞處于上升極限位置） 1. 畫活塞軸受力簡圖（6-2-a） 2. 求活塞所受壓力（不計活塞軸自重） 活塞軸受到的壓力為空氣壓縮機產生的壓縮空氣所提供，其大小為 其中，P為空氣壓縮機出口壓力 為標準大氣壓， D為活塞外徑 3.

49、求活塞軸的壓縮應力 其中，D為活塞軸直徑 4. 查表2.1（材料力學），45鋼的屈服極限為 5. 結論 綜上，活塞軸的壓縮應力小于其屈服極限，既 故，抗壓強度滿足要求。 抗壓強度校核（活塞處于上升極限位置） 1. 畫活塞軸受力簡圖（6-2-b） 2. 求活塞所受拉力（不計活塞軸自重） 活塞軸受到的壓力為空氣壓縮機產生的壓縮空氣所提供，其大小為 其中，P為空氣壓縮機出口壓力 為標準大氣壓， D為活塞外徑 3. 求活塞軸的拉升應力

50、 其中，D為活塞軸直徑 4. 查表2.1（材料力學），45鋼的強度極限為 5. 結論 綜上，活塞軸的拉升應力小于其屈服極限，既 故，抗拉強度滿足要求。 抗壓強度滿足要求 抗拉強度滿足要求 圖９　活塞軸受力圖 5.3 軸承校核 圖１0 軸承

51、 計算與說明 主要結果 〈一〉軸承壽命計算 1. 計算軸承轉速 軸承在一個循環(huán)中走過的路程為： 由零件圖上測量得 軸承一個循環(huán)中的平均時間為： 根據工作要求，該機械手運送頻率為32次/秒，則一個循環(huán)時間 軸承外圓平均線速度 軸承一個循環(huán)周期平均轉速 2. 求軸承承受的載荷 軸承所受的徑向載荷為空壓機產生的空氣壓力，不受軸向載荷。即 （具體計算見活塞軸校核部分） 3. 計算軸承的當量動載荷 因軸承只承受徑向載荷，故其當量動載荷為： 4. 查表13-11（機械設計，下

52、同），深溝球軸承的基本額定靜載荷為 深溝球軸承的基本額定靜載荷為 5. 軸承壽命計算 根據公式12-4 式中，——為溫度系數 ——為載荷性質系數 ——為壽命系數，球軸承等于3 查表12-7，軸承工作溫度＜120℃時，溫度系數 查表12-8，軸承受中等沖擊載荷時，載荷性質系數為 ，本計算取1.5 將以上各系數代入公式得： 軸承壽命為 軸承壽命4573h，約為半年，故本機械手每隔半年應進行一次大修。 〈二〉

53、軸承靜強度計算 1. 軸承基本額定靜載荷 2. 當量靜載荷 由公式 12-16 式中，——分別為軸承所受的徑向載荷和軸向載荷 ——分別為軸承靜徑向載荷系數和靜軸向載荷 系數 查表12-13，對于深溝球軸承 則 若計算結果 ，取 所以， 3. 靜強度條件 由公式12-17，靜強度條件為 式中，——基本額定靜載荷，查軸承手冊或設計手冊 ——安全系數 查表12-14，在一般情況下

54、 則， 經比較 所以，軸承的靜強度滿足要求。 靜強度滿足要求 5.4 軸承用螺釘校

55、核 圖11 軸承用螺釘 螺釘材料選用20鋼，查閱《材料力學》得，20鋼的許用切應力為 剪切面面積 剪力 則螺釘受力橫截面的切應力為 結論：因 ，所以螺釘的強度足夠。 35 密封與潤滑 6 密封與潤滑 6.1 氣缸的上下端蓋的密封 氣缸上下端蓋的密封均采用O型真空用橡膠密封圈。 O型真空用橡膠密封圈有良好的密封性，壽命長，結構緊湊，拆裝方便。它是一種壓縮性密封圈，同時又具有自封能力，所以使

56、用范圍很寬，密封壓力可達100MPa的高壓。如果材料設當，溫度范圍為-100~260 ℃。 O型環(huán)裝入密封溝槽后，其截面一般受到15%~30%的壓縮變形。在介質壓力作用下，移至溝槽的一邊，封閉需封閉的間隙，達到密封目的。 圖12 氣缸的端蓋的密封 6.2 活塞的密封 活塞采用O型環(huán)密封。 O型環(huán)結構簡單，重量輕，密封可靠。O型環(huán)材料一般為橡膠，最高使用溫度為200℃，工作壓力為0.4MPa。 本設計中，空氣壓縮機的出口最大壓力為0.7MPa，壓力較高，為了使密封更加可靠，使用2個O型環(huán)密封。 圖13 活塞的密封 6.3 活塞軸的密封

57、 活塞軸采用軟填料密封方式密封。 填料密封是用填料堵塞泄露通道，阻止泄露的一種古老的密封形式。填料密封主要用于動密封，也可用于靜密封，廣泛用于各種閥門、泵類，如水泵、真空泵等，泄露率約10~1000mL/h。 軟填料密封在材料上可分為金屬材料、纖維織物填料、橡膠與塑料填料、復合材料四大類型。填料的選擇方式主要有兩種：根據填料與被密封流體的適應性來選擇填料；根據填料的使用工況（工作壓力、工作溫度、轉速等）來選擇填料。 本設計中，密封的流體介質為空氣，工作條件為活塞式氣缸，根據表10.1-35（機械設計手冊?單行本?密封件、密封與潤滑，下同），可選填料材料有：皮革、金屬盤根、PTFE。本次設

58、計選擇填料材料為金屬盤根。 根據密封類型與介質壓力，查表10.1-38，填料根數為5根。 圖14 活塞的密封 6.4 潤滑 潤滑的目的是在機械設備相對運動的表面間加入潤滑劑以降低摩擦阻力，減少表面磨損和能源消耗，延長使用壽命，保證設備正常運轉。潤滑方法有很多，如何根據各種設備的實際情況，合理地選擇和設計潤滑的方法、潤滑系統(tǒng)和裝置，對保證設備具有良好的潤滑狀況和工作性能，具有十分重要的意義。 6.4.1 氣缸活塞潤滑 氣缸活塞的潤滑采用稀油潤滑類中的間歇無壓潤滑的潤滑方法，使用分散潤滑。潤滑裝置：油壺。潤滑原理：利用簧底油壺或其它油壺將油注入孔中，油沿著摩擦表面

59、流散形成暫時性油膜。 潤滑劑選用的一般原則： 載荷：載荷大或沖擊負荷較大，適于選用粘度較高，或極壓性能好的潤滑油，錐入度較小或極壓性能好的潤滑脂或固體潤滑劑；載荷小，適于選用粘度較小的潤滑油或錐入度較大的潤滑脂。 速度：速度高，適于選用粘度較小的潤滑油，或錐入度較大的潤滑脂，或固體潤滑劑；速度低，適于選用粘度較大的潤滑油，或錐入度較小的潤滑脂。 溫度：高溫條件下，適于選用粘度較大、閃電較高、油性好以及氧化安定性好的潤滑油，或選用氧化安定性好，滴點較高的潤滑脂，或固體潤滑劑；低溫條件下，適于選用粘度較小，凝點低的潤滑油，或低溫性能好的潤滑脂。 環(huán)境：在潮濕或與水接觸較多的工作條件下，適

60、于選用抗乳化能力強和油性、防滲性較好的潤滑油、脂；在強輻射照和放射性條件下，在人不便于接近的場合、有腐蝕的環(huán)境中，或超高真空條件下，適于選用固體潤滑劑。 工作位置：在潤滑油容易流失的工作表面上，適于選用粘度較大的潤滑油，或稠度大的潤滑脂，或固體潤滑劑。 表面精度：工作表面粗糙，適于選用粘度較大的潤滑油，或錐入度較小的潤滑脂。反之，適于選用粘度較小，或錐入度較大的潤滑油或潤滑脂。 潤滑方式：在循環(huán)潤滑系統(tǒng)中，要求換油期長，易散熱，適于選用粘度小，氧化安定性好、抗泡沫性能好的潤滑油；在集中干油潤滑系統(tǒng)中，適于選用錐入度大的潤滑脂。 根據活塞工況條件，查表10.3-3（機械設計手冊?單行本?

61、密封件、密封與潤滑），潤滑油選用渦輪蝸桿油（SH0094-1991）。 牌號：L-CKE輕載荷渦輪蝸桿油，一等品。 粘度等級：320（按GB/T 3491-1994） 運動粘度為（40℃）：288~352 6.4.2 軸承潤滑 軸承潤滑采用干油潤滑類中的連續(xù)無壓潤滑的潤滑方式，使用分散潤滑。這種潤滑方法沒有潤滑裝置，靠人工將潤滑脂填充在機殼中而實現。 根據表10.3-6 潤滑脂選擇的一般原則（機械設計手冊?單行本?密封件、密封與潤滑，下同）以及表10.3-7 常用潤滑脂的主要重量指標及用途，潤滑脂的選擇具體參數如下： 名稱與牌號：鈣基潤滑脂（GB 491-1987） 稠度等

62、級（NLGI）：1號 外觀：淡黃色至暗褐色均勻油膏 滴點：不低于80℃ 工作錐入度：310~340 水分：不大于1.5% 45 結 論 結 論 本次設計的機械手綜合和運用了機械設計、理論力學、材料力學、機械原理、金屬工藝學、熱處理、技術測量、機械制圖等知識，它主要是應用在那些單調、頻繁以及具有一定危險性的操作中用以代替人的勞動進行工作。 它的主要優(yōu)點是： 1. 結構簡單，可靠性高，易于維修和拆裝。 2. 工作時間持久，不會出現人的疲勞，可以重復不斷的勞動，維持流水線的正常工作。 3. 對環(huán)境適應性強，可

63、以在多粉塵、易燃、易爆、放射性強 等惡劣環(huán)境中工作。 5. 工作效率高，提高勞動生產率的同時也提高經濟效益。 它的主要缺點是： 1. 通用性差，除了本設計任務的特定用途外，基本無法完成其他機床的類似加工任務。 2. 因為其手臂運動采用的是滑槽連桿式，故運動精確度不夠高。 3. 吸盤式手部只能吸取盤類及法蘭類沖壓件，無法吸取軸類零件和套筒類零件。 參考文獻 參考文獻 [1] 《機械設計手冊》編委會編著.機械設計手冊:單行本.連接與緊固.北京：機械工業(yè)出版社，2007 [2] 《機械設計手冊》編委會編著.機械設計手冊:單行本.密封件、密封于潤滑.北京：

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