2012届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）
前 言
所谓抓取装置也就是机械手。机械手是模仿着人的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
本次设计主要完成电池快换真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计。本次设计是在杨世强老师的指导下完成的。因为此次设计涉及到真空原理的问题，是我此前从来没有接触过的新领域，因此首先用了一个月的时间进行这些方面的理解与学习，熟悉了真空发生器的特点及原理，并收集了许多相关资料。在四月初开始了机构总体方案的探索性设计，在四月下旬正式开始机构设计。在杨老师的指导下，结合所学机械方面的知识，查阅许多手册，经过不断的改进，最终设计出了此次专用机构。
通过这次毕业设计，我在机械CAD、机械原理、机械设计、机械制造工艺、电气控制PLC等方面的知识都受到全面的综合训练，在机电气的结合方面更使我受益匪浅。由于第一次接触类似的大型课题，又有本领域外的真空知识，加之本人知识有限，经验不足，虽有杨老师的帮助，设计中依然存在许多不足之处，错误之处，有待于进一步的完善，恳请各位老师给予批评指正。
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第1章 电动大巴车的发展概述
1.1 形势与需求
从国际发展趋势看，随着技术的不断创新与突破，面对金融危机、油价振荡和日益严峻的节能减排压力，2008年以来，以美国、日本、欧盟为代表的国家和地区相继发布实施了新的电动汽车发展战略，进一步明确了产业发展方向，明显加大了政策扶持力度。
从技术层面看，混合动力汽车技术逐步成熟，已进入产品市场竞争期，率先实现产业化，正成为汽车市场销售新的增长点。纯电动汽车电池技术进步加速，整车产品更加接近消费者需求；世界主要汽车制造商加快了纯电动汽车量产步伐；插电式混合动力作为一种具有纯电动和混合动力双重特征的电动汽车技术成为全球新的研发热点；以电池租赁为代表的纯电动汽车商业模式创新取得进展。燃料电池及燃料电池汽车技术近年来取得突破性进展，国际上各大汽车集团持续投入开展燃料电池汽车研发，燃料电池汽车整车成本显著下降，性能指标已接近商业化水平。
经多年探索实践，国际汽车产业界达成了电动汽车产业化战略共识：在技术路线上，近期（2010-2015），在依靠传统内燃机汽车技术改进和推进车辆小型化实现降低排放的同时，为满足更为严格的节能减排法规目标要求，应尽快推进混合动力技术的应用，并发展小型纯电动汽车和插电式混合动力电动车；中期（2015-2020），在混合动力技术得到广泛应用的基础上，增加汽车动力系统电气化程度，加大小型纯电动汽车和插电式混合动力汽车推广力度；在2020年之后，纯电驱动技术将逐步占据主导地位，通过发展纯电动汽车和燃料电池汽车，实现大幅度降低排放。在车型应用方面，纯电动、混合动力和燃料电池三种类型的电动汽车技术各自具有最优
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的适用车型。对短途出行需求，可采用小型纯电动汽车；对长途出行需求，主要采用混合动力汽车、插电式混合动力汽车或者燃料电池汽车。
我国高度重视电动汽车技术的发展。经过两个五年计划的科技攻关以及奥运会、世博会、“十城千辆”等示范工程的实施，我国电动汽车从无到有，在关键零部件、整车集成技术以及技术标准、测试技术、示范运行等方面都取得重大进展，初步建立了电动汽车技术体系，已申请专利3000余项，颁布电动汽车国家和行业标准56项，建成30多个新能源汽车技术创新平台。
1.2电动大巴运行的作用和意义
2011年10月，武汉市民惊喜的发现：大街小巷随处可见的燃油公交车变少了，取而代之的是一批崭新的“无辫子”电动公交车，外观设计简洁大方，运行平稳舒适，不仅低碳环保，而且安静无污染，受到了驾驶员和广大市民的欢迎。据笔者调查，不只是武汉，全国各大城市都在大力推行电动公交车，各种电动汽车、公交车充电站的投放使用，为未来新能源汽车的畅行铺平了道路。
据悉，能源短缺、二氧化碳排放过量、环境持续污染并恶化，这是全球可持续发展面临的三大难题，也是我国经济发展的掣肘。其中，传统燃油汽车的大量使用是造成这些问题的重要诱因之一。在这种大环境下，要实现经济又好又快发展，践行美好清新生活，新能源汽车尤其是电动汽车的开发势在必行。
但据业内人士介绍，由于国家还没有出台统一的电动汽车充电标准，虽然很多城市都配备了专业的充电站，但是电池规格、接口不统一，电池性能衰减较快，实际续航能力低于预期等问题，都将严重影响电动汽车的市场拓展。
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第2章 总体方案设计
2.1 机械手基本形式的确定
工业机器人按臂部的运动形式分为四种。
直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。考虑到本次课题中只需在两个坐标方向上移动，
这里我选用第一种的直角坐标型。工件为薄板类非金属零件，采用吸附式机械手。
2.2 驱动方式的确定
按驱动方式的动力源，机械手可分为： A.液压式 B.气动式 C.电动式
液压式：其驱动系统是由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成。通常它具有很大的抓举能力，其特点是结构紧凑，动作平稳，冲击，耐震动，防爆好，但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。
气动式：其驱动系统是由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是电源方便，动作迅速，结构简单，造价较低，维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。
电动式：电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常必须采用减速机构。
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根据本课题的技术要求，我选择驱动方式为气动式的动力源。
2.3 机械手传动方案的分析
传动方式按工作原理可以分为机械传动、流体传动和电力传动，其中机械传动又分为摩擦传动和齿合传动；流体传动分为液力传动和气力传动；电力传动分为直流电力传动和交流电力传动。
2.3.1 机械传动
靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、绳传动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。
靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。 2.3.2 流体传动
液压传动是在机械传动的基础上诞生的一种新型的传动方式，它以液体为工作介质，通过动力元件（液压泵）将原动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过管道控制元件，借助执行元件（液压缸或液压马达）将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。其特点以体积小，传动平稳，性能可靠，能轻松实现很多机械传动不能完成的动作，是现代工业自动化控制系统的最佳选择。尤其在锻压行业有着不可替代的作用。缺点是普遍存在泄露，但只要设计合理，加上高质量的密封装置，这些问题就都会迎刃而解。
气压传动的优点：
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(1）以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。
(2）因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。
(3) 与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。
(4）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。
(5）成本低，过载能自动保护。 气压传动的缺点：
(1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。
(2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。
(3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。
(4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。 2.3.3 电力传动
电气传动系统由电动机，控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要特点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转，在无变速机构的情况下调速范围可达1：10000；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。
2.4 总体方案的确定
方案一：
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工作原理简介：该方案采用两个气缸的运动来完成整套的上下料过程，竖直方向上的气缸负责物料的抓取、上升和下降，水平方向上的气缸负责物料的水平5m的运动行程。
优点：方案简单明了，传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁。
缺点：水平方向上的气缸行程达5m，气缸太长，加工困难，生产代价高
方案二：
工作原理简介：在竖直方向上的气缸，其工作任务与方案一一致，也是负责物料的抓取、提升和下降，但该方案在水平方向上采用了丝杠运动原理来完成水平行程，丝杆右端是一套减速装置，从动力源发动机的转动，
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通过带传动进行一级减速，再经过齿轮进行
二、三级减速，同时丝杠和竖直方向上的气缸又是再一级的减速，这样通过四级减速，可以让物料在水平行程上以较缓慢的速度移动。
优点：此方案合理的运用了丝杠的传动原理以及带传动和齿轮传动的减速，其中带传动中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要求不高。齿轮传动外廓尺寸小，效率高，传动比恒定，圆周速度及功率范围广。
缺点：系统较为复杂，且齿轮长期暴露在外部，寿命会降低，对于带传动来说，有滑动，传动比不能保持恒定，外廓尺寸大，带的寿命较短（通常为3500h～5000h），由于带的摩擦起电不宜用于易燃、易爆的地方，轴和轴承上作用力大。而且齿轮传动制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，有噪音。
对于以上两种方案的分析，并结合导师的指点，本课题的设计选用第二种方案，即机械手的上升下降通过气动控制的气压缸来实现，水平左右移动通过链轮来实现。
2.5 机械手工作过程分析
根据设计要求，机械手每次自动抓取一次，并自动释放到固定位置，完成物料输送。为了能顺利完成这次物料输送，我把该机械手的运动过程分析如下：
喂料机械手开始工作时,首先打开真空泵：
(1) 吸盘支架带动两排吸盘快速下降,可调光电开关检测到零件后,慢速下降,吸盘触及零件,同时吸盘支架触碰限位开关; (2) 两位三通电磁阀开始动作,使吸盘接入真空,时间约1～2s ,当真空开关检测到真空值为60～80 kPa (吸盘样本参数) 时,确认电池已被吸牢; (3) 快速提升,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个
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限位开关,到位停止; (4) 水平移动,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个限位开关,到位停止; (5) 快速下降,触碰第一个限位开关,吸盘转为慢速运动,触碰第二个限位开关,到位停止; (6) 电磁换向阀换向,放大气,吸盘从物料上脱开； (7) 吸盘支架带动吸盘快速上升,慢速到位; (8) 水平移动，返程，停止。至此,一次自动电池更换动作完成。
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第3章 真空发生器的设计
3.1真空发生器的工作原理
真空发生器由工作喷嘴，负压室，接收室组成。压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴内喷射出来的一束流动的流体称为射流。射流能卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，称为射流的卷吸作用 ，负压室限制了射流与外界的接触，但从喷嘴射出的主射流还是要卷吸一部分周围的流体向前运动，于是在射流的周围形成一个低压区。若在喷嘴两端的压差达到一定值时，气流则为超声波流动，于是在负压室内可获得一定的负压。 对于真空发生器，若在负压室内通道接真空吸盘，当吸盘与平面工件接触，只要将吸盘腔室内的气体抽吸完并达到一定真空度，就可将平版吸持住。真空发生器可用于产生负压，也可用作喷射器 。
3.2真空发生器的分类及选择
真空发生器按其结构组合形式分为普通真空发生器，带喷射开关的真空发生器与组合真空发生器三种。真空发生器按外形分，有盒式和管式。盒式在排气口带有消音器，管式不带消音器。按性能分，有标准型和大流量型两种。标准型的最大真空度可达到88kPa，但最大吸入比大流量型小。大流量型的最大真空度为48 kPa，但最大吸入量比标准型大，可用于吸吊有透气性的瓦楞硬纸之类的物体。
普通真空发生器的供气口接正压气源，排气口接消声器，真空口接真空吸盘压缩气从真空发生器的供气口流向排气口时，在真空口产生真空。当供气口无压缩空气输入时，抽吸过程停止。
带喷射开关的真空发生器，一般真空吸盘持工件后，要放掉工件就必须使吸盘内的真空消除。若在真空发生器引射通道流入一股正压气流，就
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能使吸盘内压力从负压迅速变为正压，使工件脱离。带喷射开关的真空发生器就能完成这一功能。
组合真空发生器有几种形式。主要分为：按连续耗气和断续耗气两种。真空发生器常与电磁阀，压力开关和单向阀等真空元件构成组件。采用一体化设计，便于安装使用。
本次设计从经济性，寿命性，维修性，技术性等多方面考虑，决定使用普通真空发生器从经济性考虑它制造成本低，生产普遍，采购容易，从寿命考虑它使用时间长，能在恶劣条件下使用，从维修方面考虑普通真空发生器结构简单，便于维修，在技术上普通真空发生器的技术成熟，应用广泛，简化设计难度。所以选用普通真空发生器。
3.3真空发生器的应用
真空系统作为实现自动化的一种手段，在电子，半导体元件组装，汽车组装，自动搬运机械，轻工机械，医疗机械，印刷机械，塑料制品机械，锻造机械，机器人等许多方面得到广泛的应用。如真空包装机械中，包装纸的吸附，送标，贴标，包装袋的启动；电视机的显象管，电子枪的加工，运输，装配及电视机的组装；印刷机械中的双张，折面的检测，印刷纸张的运输；玻璃的搬运和装运；机器人抓起重物，搬运和装配；真空成型，真空卡盘等。总之，对任何具体较光滑表面的物体，特别对于非金属且不适合夹紧的物体，如簿的柔软的纸张，塑料膜，铝簿，易碎的玻璃及其制品，集成电路等微型精密零件，都可以使用真空吸附，完成各种作业。
3.4真空发生器的主要性能
3.4.1排气特性
真空发生器的排气特性表示最大真空度，空气消耗量和最大吸入流量三者分别与供给压力之间的关系。最大真空度是指真空口被完全封闭时，
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真空口内的真空度。空气消耗量是通过供给喷管的流量（标准状态下），最大吸入流量是指真空口向大气开时，从真空口吸入的流量（标准状态下）。空气消耗量是由工作喷嘴直径决定的。喷嘴直径范围一般为0.5-0.3mm。对同一喷嘴直径的真空发生器，其耗气量随着工作压力的增加而增加。真空度有最大值，当超过最大值，即使增加工作压力，真空度非但没有增加反而会下降。真空发生器产生的真空度最大可达88kPa。建议实际使用时真空度可选定在70kPa，工作压力在0.5MPa左右。 3.4.2 流量特性
流量特性是指供给压力为0.45MPa条件下，真空口处于变化的不封闭状态下，吸入量与真空度之间的关系，为了获得较大的真空度或较大的吸入流量真空发生器的供给压力应处于0.25-0.6MPa范围内，最佳使用范围为0.4-0.45MPa。真空发生器的使用温度范围为5-60℃，不得给油工作。
3.5吸盘结构的设计与计算
考虑到抓取的对象为电动大巴车电池，其外形尺寸为：长500mm，宽200mm，厚200mm。因电池存放空间有限，为此，我选用吸盘来抓取该类零件。
真空吸盘的基本原理：
盘压到被吸物后，吸盘内的空气被真空发生器或者真空泵从吸盘上的管路中抽走，使吸盘内形成真空。而吸盘外的大气压力把吸盘死死的压在被吸物上使之几乎形成一个整体，可以共同运动。 3.5.1 电池重量的计算
由电池尺寸数据：L=500mm S=200mm H=200mm 查阅密度表，并结合工程机械上常用的材料零件，取ρ=2.0 g/cm3（泡沫塑料的ρ是0.2g/cm3,工业橡胶ρ是1.8g/cm3，ρ在2.0以上的是玻璃类和火砖石头
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类，不予考虑），取g=9.8N/kg。 则电池的重量：G=ρLSHg392N 3.5.2 吸盘型号的确定
吸盘的理论吸力F=D2p/4
根据吸盘安装位置和带动负载运动状态的不同，吸盘的实际吸力应考虑一个安全系数n，即实际吸力F’为F’=F/n 。
当水平安装提升物体时，n4；在垂直安装提升物体时n8 。 吸盘所受的吸力F=G/4=392/4 =98N 又因为是水平提升，则取安全系数n4 实际所要受到的吸力F’4F=984=392N 真空发生器的真空度P=84KPa 则由吸盘的理论吸力F=D2p/4可以得到 392 /4 D2841000 即D77mm，也就说要求吸盘吸持工件被抽空的有效直径至少为77mm 。
(a) (b)
图4-1 真空吸盘
3.6真空吸盘的材料
通常吸盘是由橡胶材料与金属骨架压制而成的。制造吸盘所使用的橡
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胶材料及其性能见上表。橡胶材料如长时间在高温下工作，则使用寿命变短。硅橡胶的使用温度范围较宽，但在潮热条件下工作则性能变差。吸盘的橡胶出现脆裂，是橡胶老化的表现。除过度使用的原因外，多由于受热和日光照射所致，故吸盘宜保管在冷阴的室内。
表3.1真空吸盘的材料
真空吸盘的材料 丁腈橡胶 聚氮酯橡胶 氟橡胶 可 可 优 良
-10 -200
优
良
优
优
可
优
优
可
药品类 优 优 良 优 良 可 良 良
-30 -120 -30 -80
优
优
优
可
差
差
优
良
可
良
优
良
良
可
良 吸盘的橡胶材料 弹性 扯断强度 硬度 压缩变形
使用温度
透气性
耐磨性
耐油性
耐酸性
耐碱性
耐溶剂型
耐臭氧
电气绝缘性 差
硬壳纸,胶合板，铁板及其他一般供件
搬运物体
3.7 吸盘连接结构的设计
ＪＺＨ系列管接头，是一种新型的组合式气动管接头。最大工作压力为１．０ＭＰａ。这种管接头是由各种不同的接头、接头体和一个终端管座组合而成。通过这三部分的组合，可以把同一个管接头组合成具有不同联接方式和不同公称通径的组合式管接头。组合式管接头能同时适用几种不同公称通径和不同材质的气管，具有通用性强，多功能、拆装方便等特点。
参照以上组合式气动管接头的结构特点，我设计出一下结构简单又能
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满足工作条件的等径三通接口的组合式气动管接头：
图3.4 等径三通接口的组合式气动管接头剖视图
图3.5 等径三通接口的组合式气动管接头基本尺寸
3.8 吸盘定位结构的设计
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图3.6 六角双头螺栓
3.8.1 伸缩缸的概述
上面的总体设计方案中已指出本课题机械手水平方向上的气压缸选择具有双行程的伸缩缸，接下来我先对这类伸缩缸进行一个简单的概述： （1）工程伸缩缸缸的基本型式
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同传统的缸一样,伸缩缸两种基本类型是单作用和双作用型.单作用伸缩缸在压力油的作用下伸出,依靠重力或外部机械作用力缩回。单作用缸应用在某种形式的作用力总是作用在缸上的场合。最基本的单作用伸缩应用就是倾卸式卡车和倾卸式拖车。压力油伸出伸缩缸以升起倾卸车的一端并卸除负载,当解除压力 时,倾卸车厢的重量将伸缩油缸中的油排出并缩回。 双作用伸缩缸两个方向都由油压作为动力,它们可以使用在既给没有重力又没有外部机械作用力的应用场合。它们非常好地适用于无严格定位且要求稳固负载来回动作的应用场合。一个典型的 应用是垃圾压实车的推铲液压缸。水平安装的液压缸推动一块平板压缩负载，然后带着平板缩回,以便添加更多的物料。不能借助于重力,所以使用双作用缸。
（2）轴承和密封
每一伸缩级通过至少两只轴承依次支撑在较大的伸缩段上。一只位于外直径的底部或伸缩级的活塞端。另一只位于直径的顶部或下一个较大伸缩级的填塞级。这两个轴承之间的距离决定一级同下一级之间的重叠程度。一般而言,这个距离或重叠必须随总行 程的增加而增加,以抵抗由伸出级重量和负载引起的挠度。 伸缩缸的密封设计有好几种。最普通的一种是使用多重叠合的 " V "形密封和/或带现场模铸的叠合唇整体式多唇密封件。这些密封件通过挡圈或卡环及压紧螺母保持在适当位置。每一级的内圆面同套在里面的直径小些的下一级外径相互密封。这些密封的型式和位置各个油缸制造厂不同。密封型式也取决于其特殊功 能。零泄漏,多唇柔性密封通常使用在主臂级和伸缩级密封部分的内径上。低泄漏硬性密封使用在双作用伸缩缸的活塞端.这些活塞密封允许油缸在压力下缩回.在某些单作用伸缩缸上使用另外止动环的设计,在活塞上使用柔性零泄漏密封,依次将更大的下一个伸 缩级的全部内径用作伸出力的有效面积。这些相同的密封将油容纳在油缸中。油缸的上部通常使用柔性密封,此时包括一个导向 支撑.该伸缩缸的上端和论使用 何种型式的密封,都要使用防尘 密封组合,以防止污染物进到油缸中。
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（3）伸缩缸的优势
同传统的活塞杆式缸比较,伸缩缸的最大优点在于其能从一个紧凑的初始部件提供特别长的行程。典型伸缩缸叠合后的长度在其伸出长度的20%和40%之间变化。所以,当安装空间受限制而应用场合又需要长行程时,伸缩缸是理所当然的解决方案。 例如,自卸车为了完全倾卸,其车体需要倾斜 60度 。
（4）伸缩缸的工作原理
双作用伸缩缸的正常伸出同单作用伸缩缸的方式一样。双作用伸缩缸的缩回通过将每个伸缩级的活塞面积外直径同下一个较大级 的内侧直径密闭,并在每一个伸缩级中沟通导油孔来实现。伸缩级体上的导油孔正好位于伸缩段的活塞上方。缩回油口通常位于最小伸缩级的顶端。油液经该油口进入最小伸缩级。导油孔允许油进入并作用在下一段内径和较小段内径之间的容腔中。该容腔产生力以移动或缩回较小的伸缩级进入较大的伸缩级。 一且该级完全缩回,下一个较大一级的导油孔打开并允许油进入以缩回.该缩回过程持续直到所有的伸缩级全部缩回到主臂级内。每一段上的密封选择区域保证压力能够工作。 将缩回油口设置在最小级的顶端是设计双作用伸缩缸最简单的方法,但是这种典型的油口布置需要布置软管,软管保护和软管卷盘以传递油至伸缩级。为避免压力油口在油缸全伸出时间隔太远。大多数双作用伸缩缸设计时将两个油口都布置在最小级或柱塞级上。油缸安装使最小段或柱塞级固定,较大较重的伸缩级在油缸伸出时移动。伸缩缸的结构象望远镜, DOM(拉出心轴) 钢管的直径逐渐减小能够一级套一级地相互套起来。直径最大的一级 称做主臂或缸筒;直径较小的伸缩级称做伸缩臂。最小的一级也称做柱塞。伸缩级的数量通常最大为 6 级,理论上可以设计出更多级的缸,但其稳性将要折衷。伸缩缸通常从最大的一级到最小的一段伸出。这意味着最大的一 级将带着套在其内部的所有较小的级最先移动。且在完全伸出后,下一级才开始移动。该程序将一步一步地继续直到最小的一 级完全伸出。相反在缩回时,最小的一级将最先完全缩进以
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后, 下一级才开始移动,这将持续直到所有伸缩级回到主臂中。 3.8.2 气压缸类型的确定
基于对以上液压型的伸缩缸的介绍，我把他推想到气压型的伸缩缸，工作原理和液压型的伸缩缸一样，紧紧是两伸缩缸所使用的动力源不一样而已，一个是液压，一个是气压，再根据课题所给的数据可知，该气压缸在水平方向上要完成至少15000mm远的行程，如果仅仅采用普通的气缸，那该气缸的内缸长度至少需要15000mm长，这样制造出来的气缸要耗费很大的人力和材料，吸盘的水平左右移动是往复式的，为此，这里选用了链轮传动。抓取的伸缩移动行程比较短，需要耗费的人力和材料也比较少，所以我采用气压传动。 3.8.3 气缸的种类
气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸 4种。
（1）单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。
（2）双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。 （3）膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。
（4） 冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10～20米／秒)运动的动能，借以作功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。作往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴作摆动运动，摆动角小于 280°。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
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3.8.4气缸的结构
气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件组成。 (1）缸筒
缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。
SMC CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。
(2）端盖
端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。
(3）活塞
活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。
(4）活塞杆
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活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。
(5）密封圈
回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。 缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种： 整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。
气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。
3.8.5 气缸的工作原理
根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。 3.8.6 运动缸径的计算
由气缸带动的负载，运动状态及工作压力，就可以进行气缸缸径的计算和选择。
（1） 根据气缸带动的负载，计算气缸的轴向负载F，本设计是上下运动气缸，它的最大负载是40㎏，结构是气吊的结构。
图2-1汽缸带动负载图
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气缸的轴向负载力F=mg=40×9.8=392.5N (2)由气缸的平均速度来选定气缸的负载β，如表1。气缸的运动速度越高，负载应选小。
表2.1 气缸的运动状态和负载率
阻性负载 （静负载） β≤0.8
本设计的气缸的行程是200mm，动作时间t=2s。 根据速度公式V=s/t=200/2=100mm/s 根据速度V选择阻性负载β是0.5 （3）由气缸的理论输出力计算公式。负载率β及工作压力p即能计算缸径，由计算的缸径再圆整到缸径。
本题的理论输出力F=F/β=392.5/0.5=785N 气缸的工作压力为：p=0.4MPa 气缸缸径D= 〈100mm/s ≤0.65
阻性负载 100-500mm/s 〈-0.5
>500mm/s 〈-0.35 4F.=50 p故本设计取气缸缸径D=50mm，活塞杆的直径为25mm。 3.8.7 缓冲性能
气缸活塞运动到行程终端位置时，为避免活塞与缸盖产生机械碰撞而造成机件变形，损害及极强的噪声，气缸必须采用缓冲装置。通常缸径小于16㎜的气缸采用弹性缓冲垫，缸径大于16㎜的气缸采用气垫缓冲结构。
从缓冲柱塞封闭柱塞孔起，到活塞停止下来为止，活塞所走的行程称为缓冲行程。缓冲装置就是利用形成的气垫（即产生背压阻力）和节流阻尼来吸收活塞运动产生的能量，到达缓冲的目的。
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为了达到缓冲作用，缓冲腔室内空气绝热压缩所吸收的压缩能Ep必须大于活塞等运动部件所具有的动能Ed，即Ep≥Ed。
k1kpkEp=p1V121„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„p1k1(1-1) 1Ed=mv2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
2(1-2) 式中，p1-----绝热压缩开始时的缓冲腔室内的绝对压力（Pa） p2-----绝热压缩结束时的缓冲腔室内的绝对压力（Pa） V1-----绝热压缩开始时的缓冲腔室的容积（m2） m-----活塞等运动部件的总重量（kg） v-----缓冲开始前活塞的运动速度（m/s） k-----空气绝热指数k=1.4. 若Ep≥Ed则认为气缸缓冲装置能起到缓冲作用。反之，则不能满足缓冲要求，应采取一定措施，如在气缸外部安装液压缓冲器。
最后要特别指出，对于气缸之所以要讨论缓冲性能及其计算，是因为要防止气缸运动到行程末端时撞击缸盖，即气缸活塞具有运动速度。若活塞在末端处于静止状态时，无论加在哪的的压力都务必关心其会撞击杠盖（除强度问题外）。同时，气缸运动过程所有出现的摩擦力（能），重力（能）等的影响，都以反映在活塞的运动速度上，也就是说，气缸运动的速度决定于作用在活塞两侧的压力差Δp产生的气压作用力克服了摩擦力（总阻力）的大小。因此，气缸缓冲计算时，只要考虑气缸运动的动能，就必计算活塞上作用的气压能，重力能及摩擦能。 3.8.8耗气量
耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩气体量，耗气量大小与气缸的性能无关，但是选择空压机排量的重要依据。
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3.8.9最大耗气量
是指气缸活塞完成一次行程所须的耗气量，其计算式如下：
p0.11 Qmax=0.047D2S0.1t式中，Qmax-----最大耗气量(L/min)(ANR) D-----缸径(cm) S-----气缸行程(cm) t-----气缸一次往返行程所需时间(s) p-----工作压力(MPa) 3.8.10伸缩运动气缸耗气量 缸径： D=5cm 气缸行程: S=20cm 工作压力: p=0.4MPa 气缸一次往返行程所需时间 t=4s
p0.11 最大耗气量: Qmax=0.047D2S0.1t0.40.112=29.375（L/min） （ANR） =0.0475200.143.9气缸使用注意事项
（1） 一般气缸的正常工作条件；环境温度为-35-80°C，工作压力为0.4-0.6MPa。
（2） 安装前，应用1.5倍工作压力条件下进行试验，不应漏气。 （3） 装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂。 （4） 安装的气源进口处必须设置气源调节装置；过滤器-减压阀-油雾器。 （5） 安装时注意活塞杆应尽量承受拉力载荷，承受推力载荷应尽可能使载荷作用在活塞杆轴线上，活塞杆不允许承受偏心或横向载荷。 （6） 载荷在行程中有变化时，应使用输出力足够的气缸，并附设缓冲装置。
（7） 尽量不使用满行程。
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3.10水平直线导轨的设计
3.10.1 直线导轨的概述
直线导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。 3.10.2 直线导轨种类的确定
在本课题设计中，我选用圆形导轨，接下来我简单的说一下圆形导轨的优点：
圆形导轨产品的一个显著优点就是其圆形板可在端部支撑轴，实现横跨相当于轴直径的12到24 倍的间隙的圆形直线轴承设计，从工厂自动化中的龙门吊系统到DNA 取样机中拣选和放置模块的各种应用均可采用这一设计。运动轴完全通过固定轴的两端进行组建。无论两点之间的机器表面处于何种情况，无论是否只有一个点，该装置的精密性都不会受到影响，仅仅取决于端部支撑装置的准确度。此外，如果要通过直线导轨对中一套丝杠传动系统，只需在一个板上打三个孔，即以两个圆形导轨和丝杠 轴承的支撑为基准，这是最容易做到的方法。通过这一设计，在装配过程中无需调节。
在某些应用中，平整度可能是需要考虑一个主要的因素。虽然组件和应用之间在细微处可能略有不同，并通常缺乏行业相关平整度数据，但滚珠衬套轴承往往可以非常平稳地运行，方形导轨和圆形导轨之间的差异通常用手即可感觉得到。滚珠和导轨之间凸表面的点式接触可将擦伤的可能
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性降到最低。滚珠衬套通常在微小间隙量或1％到2％额定动载荷的轻预载荷下运行，提高了平稳性。而由于较高的一致性和预载荷，方形导轨轴承可在某些“缺口”情况下使用。 在大多数情况下，这是可行的，但如果需要用到仪表级轴承，圆形导轨可能更有优势。同样，由于其简单的圆形几何形状，圆形衬套上的密封件往往更为可靠，产生更小的拖曳。方形导轨擦拭器必须符合导轨中的滚珠轨道，以达到耐用型密封。
安装圆形导轨时最后需要考虑的是安装在轴上的非滚珠型聚合物衬套。可采用适用于铝或其它基底的高性能轴承级材料，以提供良好的载荷能力（相当于滚珠衬套载荷能力的20％）和一个在 0.05到0.25范围内的较低摩擦系数。衬套轴承可在具有能够损伤密封严实的滚珠衬套的微粒的恶劣环境中平稳运行，也可在受到冲击载荷损伤的滚珠轴承系统下正常工作。另一方面，滚珠循环噪声可能会成为滚珠衬套或方形导轨轴承中的一个问题，但对于上述衬套轴承却基本上不是问题。由于接触面分布在一个较大的区域中，无需配有滚珠衬套的硬化钢轴。可以采用不锈钢轴系，既适用于像半导体和医药行业所处的清洁环境，也适用于像食品加工行业所处的恶劣环境。
3.10.3 圆形导轨的支撑导轨单元
支撑导轨单元由支撑轨，直线轴及开口型直线轴承箱式单元组成，图3.10所示。
支撑轨：支撑轨可在全行程上为轴提供最大的刚性，确保支撑导轨单元的正常工作，图3.11所示。
箱体:可与开口型直线轴承配合，在高负载或长行程的场合，保证卓越的运动性能，图3.12所示。
以下为圆形导轨的支撑导轨单元的结构图和相关数据表：
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图3.11 支撑轨 图3.12 箱体
图3.13 支撑导轨单元 图3.14导轨外形长度表
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图3.15 支撑轨外形尺寸
图3.16 支撑导轨单元外形尺寸
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第四章 吸附手的稳定性分析
4.1 机械手上升、下降过程的稳定性分析
机械手的下降过程是由竖直方向上的气缸完成的，气缸的选用按照了国家的标准，而且所选的气缸足够提升起该密封垫零件，所以只要气缸正常，不会出现中途卡断现象。该气缸的活塞杆连接吸盘的定位支架，并通过螺母固定，而支架上又通过螺母连接方式使六角双头螺栓固定在支架上。通过等径三通接口的组合式气动管接头，一端与六角双头螺栓连接，另一端与吸盘螺纹连接，还有一端与真空发生器通过来的气管相连接，这样下来，该部分的机械结构是环环相扣，稳定性很高，安全性也相当高。而且该结构具有拆装性，拆装非常方便，万哪个零件出了问题，可以及时方便的拆卸并安装，减少经济损失。
4.2 机械手吸料过程的稳定性分析
由于吸盘是与真空发生器通过带螺纹的通气管连接起来的，所以真空发生器产生的真空度就是吸盘里的真空值，我选用了真空度可以达到84KPa的空发生器，所以有足够外力吸附起密封垫零件。真空吸盘是直接吸吊物体的元件，是真空系统中的执行元件。通常它由橡胶材料和金属骨架压制而成。吸盘有多种不同的形状，常用的有圆形平吸盘和波纹形吸盘。波纹型吸盘（风琴型吸盘）相对圆形吸盘有更强的适应性，允许工件表面有轻微的不平、弯曲或倾斜，同时在吸持工件进行移时有较好的缓冲性能。所以本设计中我选用了波纹形吸盘，以提高机械手的稳定性。
当然该机械手的真空系统中除了真空发生器和真空吸盘这两个主要的元件外，还有真空阀、真空压力开关、真空过滤器、真空安全开关等元件。这些真空元件都是按负压元件来确定的。
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4.3 机械手左移、右移的稳定性分析
同样，该过程的也是通过气缸的伸缩来完成，气缸的选用也足够让机械手完成水平方向上的左右往复移动，气缸通过左右两端两个耳座将其定位于水平方向上，其较小的那根活塞杆通过一简单的机械结构与导轨工作台相连接，又导轨在角钢上的安装，角钢由于受到所有负载发生变形的挠度相当小，几乎可以忽略不计，所以导轨在水平方向不会发生弯曲的现象，这样就保证了工作台能顺利的在导轨闪左右移动，使得该机械手输送的密封垫零件能很好的完成水平500mm的行程的输送。
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结束语
在本次毕业设计的过程中，我更加熟练的掌握了相关制图软件的应用。回顾本次设计，我对气压缸的设计,机械结构的设计有了深刻的理解。
其中，机械手应用于现代化制造业中也是大势所趋。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。目前，机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动、不知疲倦、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此机械手受到很多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。
此机械手的设计完成，能更好地针对电动大巴车电池的更换，而且本机械手大部分都是通过螺栓连接固定在一起的，这样机械手的拆卸更换和运输方面就变得尤为方便，该机械手能满足远距离的水平移动。整体气压的运用，空气的取之不竭，用过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境，空气的污染性很小，管路中压力损失也很小，压缩空气的工作压力较低，气动元件的材质和制造精度要求降低，空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞等优势就很有效的利用到，而且机械手四个角机械减震垫铁的安装，更能适应有稍微凹凸不平的工作环境。
本次毕业设计缺少了去工厂实习这一环节，我们也就缺少了对现场机械手工作过程的认识和理解，设计机构给我们带来了一定的难度。
最后，将以上机构和组合机构合成一个完整的机构，从而使A上的工件移动到B上，完成整个过程。
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参考文献
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致 谢
本次毕业设计的顺利完成，离不开院系各级领导的的高度重视，以及学院各位老师的指导和帮助，在此，我衷心的向院系各级领导和全院老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
四年的学习生活转眼即逝，在外求学经历的坎坷使我慢慢成熟，对在过去的日子里曾给予过我鼓励、帮助的人们我满怀感激，时刻没有忘记。所经历的一切将让我倍加珍惜未来的生活。
本论文是在导师杨老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
由于本人实际经验和理论知识有限，本次设计中必然存在不少纰漏及错误之处，希望各位老师批评指正。
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