3.4整体架构的设计
整体架构设计，主要考虑两个重点：第一是行程能够满足要求，第二是结构的刚度
230mm，所以有行程X?540mm，Y?400mm，
保证机械手的工作精度。一箱500ml啤酒的外围尺寸约为270mm×200mm×270mm，手爪部分的高度约为
Z?270mm?2?230mm=770mm，又考虑到手爪模块拆卸后换上其他手爪用以夹持其他瓶
装饮料，为加强机器的适应范围，故增大了XYZ三轴行程，其结构如图（3.4-1）所示；另由于负载重达13Kg，加上手部的一定的重量，若采用悬臂型结构，整个机构将受到较大的偏重力矩，影响机构的刚度及机械手的工作精度，所以最终采用类龙门结构，一边是无杆气缸，另外一边配置一小摩擦导轨，中间是另一轴的移动气缸，结构示意图如（3.4-1）所示：
3.4-1结构示意图
3.5 XYZ三轴气缸的分析选型
Z轴提升气缸
Z轴提升气缸的负载为手爪与啤酒的重量（13Kg）总和，其
中手爪的重量约为4Kg，即提起重物总重为W?170N，其示意图如右图所示：
所以负载力 F?W,
考虑到除了静载荷之外手部模块运动状态变化亦会产生载
荷（惯性力或惯性力矩）以及出于安全系数的考虑，上式可写成：
F?K1K2W
(9)
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其中K1——安全系数；
K2——工作情况系数，考虑惯性力的影响， K2可按下式计算：
K2?1?a； g其中a——运载工件时重力方向的最大上升加速度；
g——重力加速度，取g?9.8m/s2；
a?vmax t响vmax——运载工件时重力方向的最大上升速度； t响——系统达到最大素数的时间； 取安全系数K1?2；工况系数K2?1.5
所以 F?3W?510N； 又F??D?42?d2?p；
其中D——气缸内直径；
d——活塞杆直径； P——为气缸工作压力；
由双作用气缸可设d?0.4D 所以F0?0.215?D2p
p?0.6?106Pa，F0?510N代入上式可得：
将工作压力
D?0.0355m
所以气缸的直径可取为D?40mm
由整体机构尺寸设定，Z轴方向的高度为950mm，且手爪的高度为230mm，由于安装时顶部留有一定余量，所以气缸的行程可取S?700mm。
由于负载竖直方向上重力的作用，所以机械手其他轴气缸运动而Z轴气缸不动时Z轴升降气缸需要安全锁紧以防气缸在中立作用下向下运动。
根据以上的要求选择德国Festo中DNC—KP带夹紧装置抗扭系列双作用气缸，其型号代码为：DNC-40-700-PPV-A-Q-KP。
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（3.4-2）DNC-KP系列气缸实物图
其具体的技术参数与特性如下表所示：
表4
型号： 缓冲形式： 位置检查： 结构特点； 缓冲长度： 有效方向上的夹紧方式： 安装方式： 安装位置： 工作压力： 最小释放压力： 6 bar时返回力理论值： 静态夹持力： DNC-KE/带夹紧装置，双作用 PPV/两端具可调缓冲 A/带位置检测 活塞/活塞杆/钢筒/夹紧装置 20mm 在两端，通过弹簧力夹紧，供气到释放 通过内螺纹或附件安装 任意 1.5~10 bar 3 bar 633 N 1000 N XY轴气缸选型
XY轴气缸所涉及的情况较为简单，由整个机构可知XY轴气缸所受轴向力较小，轴向主要用以克服摩擦力；受到的径向力较大，需要设有导向装置的气缸，减小气缸所受的径向力，提高结构的刚度，且两气缸需要选择无杆气缸，需要行程定位，气缸行程可由机构的尺寸决定位：X轴800mm；Y轴500mm。可选择Festo气缸中带导向滑块的SLM直线气缸：
取气缸运动时的摩察系数为f?0.05 对于Y轴移动气缸，其驱动力:F?fFN?0.05?200N?10N；
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其中FN大小等于手部模块加上Z轴升降气缸的重力大小； 对于X轴移动气缸，其驱动力：F?fFN?0.05?230N?11.5N；
其中FN大小等于手部模块加上Z轴、Y轴气缸的重力大小。
设气缸在定位过程中制动时所用的时间为0.2s，气缸运动速度为0.1m/s，即制动
2a?0.5m/s时加速度大小为：；
对于X轴气缸，制动过程所受最大扭矩为：
Mmax?F?S?maS?23?0.5?0.5?5.75N?m；
其中S取为Y轴气缸的最大行程，即为500mm； 对于Y轴气缸，制动过程所受最大扭矩为：
Mmax?F?S?maS?20?0.5?0.7?7N?m；
其中S取为Z轴气缸的最大行程，即700mm。 由以上两组数据结合Festo中SLM系列气缸的许用动态负载图（），选取两轴的气缸分别为： X轴：SLM—40—800—KF—A—G—CV—CH—HV—HH
Y轴：SLM—40—500—KF—A—G—CV—CH—HV—HH
（3.4-3）SLM系列气缸的实物图
两气缸除了行程不同之外，其他主要技术参数与特性基本相同，具体如下表所示：
表5
工作模式： 结构特点： 终端液压缓冲： 位置感测： 安装方式：
双作用 滑块单元/直线无杆气缸 双端带可调缓冲 接近开关 通过通孔/内螺纹 20
安装位置： 抗扭转/导轨： 工作压力： 6 bar时，力的理论值： 磁力耦合脱离力：
任意 导向杆带滑块/滚珠轴承导轨 < 7 bar 754N 1050 N 气缸的许用动态负载如下图所示：
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