陕西科技大学
硕士学位论文
气动通用上下料机械手的研究与开发
姓名：李超
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：董继先;刘乘
20030530
Ｆ５６６３８４
气动通用上下料橇槭手的研究与拜发
摘要
本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自壶度翻座耩墼式，气动技术斡特点，ＰＬＣ楚裁夔特点及国内外的发展状况。
本文对规掀手进零亍了总体方案设计，确定了枫械手的座标型式积自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手郝结构以及吸附式手部结构；设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩；设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓ｉ?Ｆ器。
设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。辩气压系统工作原瑾圈麓参数纯绘制进行了研究，大大撬离了绘图效率和图纸质爨。
铡耀可编程序控豢ｌ器对橇械手进行控制，选取了合适酶ＰＬＣ型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了枧城手的工终时序图和梯形圈，荠编铡了可编程序控铡器的掩裁程序。
关键溺工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器（ＰＬＣ）
ＳｔｕｄｙａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｔｈｅＣｕｒｒｅｎｃｙＰｎｅｕｍａｔｉｃＬｏａｄｉｎｇａｎｄＵｎｌｏａｄｉｎｇＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｔｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｎｃｅｓｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔａｎｄｔｈｅ
ｅｌｅｒ，，ｔａｒｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｒｉｅｆｌｙ．Ｗｈａｔ’ｓｍｏｒｅ．ｔｈｅｐａｐｅｒａｃｃｏｕｎｔｓ
ｆｏｒ二ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｏｐｉｃ．
Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎ．ｃｏｍｐｏｓｉｎｇａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｔｅｌｌｓｏｕｔ也ｅｆｒｅｅ－ｄｅｇｒｅｅａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｏｆＣ００ｒｄｉｎａｔｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒｇｉｙｅｓｏｕｔｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｉｓｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈａｎｄａｎｄｔ｝ｌｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｎｇｅｒｓ．
１１１ｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｔｒｌｌｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｒｉｓｔ。ｃｏｍｐｕｔｅｓｔｈｅｎｅｅｄｅｄｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｗｈｅｎｔｈｅｗｒｉｓｔｗｈｅｅｌｓａｎｄｔｈｅｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｏｆｔｈｅｐｕｍｐ，Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｒｍ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｂｕｆｆｅｒｗｈｅｎｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｆｓａｒｎｌｆｌｅｘｅｓ．ａｓｃｅｎｄ．ｄｅｓｃｅｎｄａｎｄｗｈｅｅｌｓ．
Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｉｖｅａｎｄｄｒａｗｓｔｈｅｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｈｉｎ
１１ｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｕｓｅｓＰＬＣｔｏｃｏｎｔｒ０１．ＴｈｅＰａＤｅｒｉｎｓｆｉｔｕｔｅｓｔｗｏｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｓｏｆＰＬＯｑｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｏｒｋｆｌｏｗｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．ＴｈｅＰａＤｅｒｄｒａｗｓｏｕｔｔｈｅｗｏｒｋｔｉｍ拶’＇ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｈａｒｔａｎｄｔｈｅｔｒａｐｅｚｉａｃｈａｒｔ．Ｗｈａｔ．ｓｍｏｒｅ．ｔｈｅｐａｐｅｒｗｏｒｋｏｕｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅＰＬＣ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔ，ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｐｕｍｐ，ａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｉｖｅ，ＰＬＣ
Ⅱ
第一章绪论
１。１极槭芋＿艇述ｆ１Ｈ≈
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感技置稔或，是一黪傍夭掇传、叁麓控裁、掰重复缡程、麓焱三缍窆惩宠袋鑫耱露照憨机电～体化自动化生产设备。特别适仑于多晶种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质擞，提高嫩产效率，改善势动条件和产品的快速受灏换代超着十分重要静作用。
机器人技术是综合了计辣机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、镑生学等多学科嚣形娥熬毫赣技术，楚当技磷究十分溱跃，应鲻日蓝广泛豹领域。机器人应用情况，是～个国家工业自动化水平的重羲标志。
机器人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赘～穗毅久戆毫＿予搬攘装豢，疆霄入霹嚣凌状态懿快速爱蔽嚣分凝莛瑟缝力，又有机器可长时间持续工作、精确度商、抗恶劣环境的能力，从某种愆义上说它也是枫器的激化过程产物，’藏是工业以及非产业界的蘧要生产和服务性设各，也是壳进铡遥技术领域不可缺少麓鸯动纯设备。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给窳程序、轨迹和鼹求实现自动抓取、搬运竣操撂鹣鑫动机攘装量。在工业生产孛威囊茨撰壤手被称为“工渡扭域手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳渤生产率；可酴减轻劳动强度、保证产晶质量、实现安众生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易擦、霄毒气体器教封缝等恶劣舞环境串，它代替太逡孬正豢瓣王俸，意义更梵重大。因此，农机械加工、冲服、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配队及轾工她、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。
税械手驰结构形成开始魄较简单，专用馁较强，仪为某台税床静土下精装麓，是附属于该机床的专用机械乎。随着工业技术的发展，制成了能够独妲的按程序整铡实现重复摆童＃，逶翅蕊辫毙较广瓣“程黪控割逶翅掇攘零”，楚稼运月规藏手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断交换生产晶种的中小批量生产中获得广泛的引用。
１．２机械警的组成和分类卧【州
１．２．１机械警的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统摆互之闽豹关系如方壤图２一ｌ所示。
图１－－１机械手的纽成方框图
Ｆｉｇ．１—１ＰａｎｅＣｈａｒｔｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
（一）执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
１、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、Ｖ形面的和曲面的：手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力Ｊ吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。
此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。
２、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）?
３、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
手臂可能实现的运动如下：
手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。
导向装置结构形式，常用的有：单圆柱、双圆柱、四圆柱和Ｖ形槽、燕尾槽等导向型式。
４、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
５、行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
６、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
（二）驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
（三）控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（四）位置检测装置
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控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
１．２．２机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
（一）按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：
１、专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。
２、通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断交换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（二）按驱动方式分
１、液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
２、气压传动机械手
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在３０公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
３、机械传动机械手
即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。
４、电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运
动黪橇援手，霞麓不翥要孛簿懿转换掇稳，敌橇攘终褥麓攀。其孛＿纛线屯撬瓿槭手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手网前还不多，但商发展前途。
（－－）按控翎方式分
ｌ、点位控制
宅静运动为空蝴点到点之阀的移动，只能控毒ｌ运动过程中几个点的位鬣，不能控制其逐动轨迹。若欲掇制的点数多，刚必然增加电气羧制系统的复杂馁。西前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
２、连绥辘邃羧割
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳＿和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工渡柱械警一般采耀夺鳖计算税送行控制。
｛。３国内癸发震状凌壮Ｈｑ
国多｝瓿器入领域发展避足年套如下几个趋势；
（１）工业机器入性能不断掇离（高速度、高精度、离可靠性、便于缣作裙维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从９１年的１０．３万美咒降至９７年的６。５万美露。
（２）机械结构向模块化、可灌构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速帆、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人挫机；国外已有模块证装配梳嚣入产蒹阏帘。
（３）＿－１２业机器人控制系统向撼于Ｐｃ机的开放挺控制器方向发展，便于标准纯、逮络纯；器｛孛集成废提亳，控剿抠日觅小巧，县采用模块化缕鞫：大大提高了系统的Ｗ靠性、易操作性和可维修性。
（４）机器人中的传感器作用臼益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等转感器终，装配、浑螯梳籍夭还应震了筏燮、力觉等簧撩嚣，纛遥控极嚣久曩｜Ｊ采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合毳己爨技术在产品化系统中已有成熟威用。
（５）廛蓣现实技术在梳器入巾静俸藤邕获傍粪、舔演发震努鬻手过稷耱镬，如使遥控机器人操作者产生置身予远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（８＞骜搜遥挖掘器入系统鹣发曩特燕不是追求全是演系统，覆是致力予操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加髑部自未系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室ｊ｛｝入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰缡”橇嚣入就是这耱系统琏凌痰瓣秘聂蓑名实爨。
（７）机器人化机械开始兴起。从９４辱美国开发出“廉拟轴机床”以来，这静新型装鬟已成为国际研究豹热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工韭梳器入获８０年代“七五”稀援攻关开始怒步，在潜家豹支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前融基本掌握了机器人操作机的设计制造按零、控键系统骥馋霹软馋设诗投寒、运凌学秘鞔迹援划技术，生产７部分枧器入关键元器件，开发出喷漆、弧绰、点博、装配、搬运等机器入；其中有１３０多台套喷漆机器人在二十余家企她的近３０条自动喷漆生产线（站）上获得规模纛用，孤海税器入已瘦弱在汽车籀逢厂黝簿装线上。毽墓豹来看，我国瓣王监捉器人技术及其工程应用的水平和豳外比迸有一定的距离，如：可靠性低于国外产
鑫；祝器入应震工程超步较程，交瓣簇域零，生产线系统鼓零与嚣赘毙套麓距：在应用规横上，我翻已安装的国产工业机器人约２００台，约占全球融安装台数的万分之四。以上啜湖主要是没有形成机器人产业，獭前我国的机器人生产郝是应用户的要求，“一客户，～次重薪浚计”，藩穆藤辫多、ｉｌ毛璧小、攀部件逶餍位程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产鲎鼗蘸颓豹关键技零，对产品邀霉亍全甏援划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产妲化进裰。
我国的智能机器人和特种机器人在“８６３”计划的支持下，也取得了不少成聚。萁孛麓隽突窭豹是瘩下疑器入，６０００ｍ零下无缆辍器入豹残果瑟整爨镞先拳平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器入、爬黢机器人、管道机器入等机静；焱机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工律，有了一定酶发震基确。但是在多传感器信怠融合控稍技术、遥控黧鼹部鑫主系统遥控机器人、智能袈配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与星掺走遴永孚差距较大，嚣簧在原礴成续熬基础上。有重点燃系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期奁“十五”后期立乎世赛先进行列之中。
１．４课题的提出及主要任务
１．４．１课臌的提出
随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多翁燃、弱爆等商危及重体力劳动场合必将由枫器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳渤强度，另一方两可以大大提高势动生产率。镶魏，蠢蠢藿在我国豹诲多中，ｌ、鳌汽擎生产黻及轻王簸生产中，往往冲压成烈这一工序还需要人工上下料，既赞时费力，又影响效率。为此，我翅恕土下瓣规搬手终为我们驭巍均课题。
现在的机械手大多采用液压传动，液聪传动存在以下氏个缺意：
（１）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；滚篷舞动荔澄潺。不莰污染工终璐逡，隈裁其痘掰蓬嚣，霹裁霉｜趣失必事放，夏麒影响执行部分的运动平稳性及藏确性。
（２）工作时受温度变化影响较大。油激变化时，液体粘度变化，引起避动特稳变纯。
（３）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。
（４）为了减少澄潼，渡运元转豹剃造＿工艺承乎要求较粪，故价播较离；且使用维护需簧较高技术水平。
鉴予以上这数缺陷，本机械平拟采用气压传幼，气动技术有以下优点：
（１）奔凄提取窝楚壤方便。气蓬转动盖俸压力较羝，王终夯凄提取骞爨，瑟靥排入大气，处理方便，～般不需设置回收管道和容器｛介质清漓，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的趣酝。
２《’２）阻力损失和灌漏较小，畿蓬缩空气豹输邀进程串，阻力攒失较，ｌ、＜一觳仪为油路的千分乏一），斑气便予集中供应和远躐离输送。外泄漏不会像液压传韵碧ｉ搀，造戚垂力爨显簿低窝严鬟污染。
（３）幼作迅速，反应涎敏。气动系统一般只需要０．０２ｓ～Ｏ．３ｓ酃可建立起所
嚣豹压力帮速疫。气动系统逮能实蕊过载璨妒，笈予塞动控裁。
（４）能源可储存。压缩空气可稃贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不数突然中断。
（５）工作环境逶应毪好。在易燃、荔壤、多垒埃、强磁、强辐瓣、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而甩不会因温度变化影响技魂及控制性能。
（６）成本低廉。由于气渤系统＝Ｉ＝作压力较低，因此降低了气动元、辅彳牛的奉季质和加工精度要求，制造容易，成本较低。
传统黢焘诀为；由予气体吴毒褥压续熬，困越，在气动镧鼹系缆孛要实现裹精度定位比较困难（尤其程高速情况下，似乎更难想象）。此外气源工作聪力较低，抓举力较小。缀然气动技术作为机器人中的驱动功能融有部分被工业界所接受，蔼盈辩予不太笈杂的橇械手，翔气动霓伴组成豹控裁系统已竣接受，继由手气动机器人这一体系已经取得的一系列重骚进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域攘，对气动机械警、气动机器人的实用性魏翦景存在不少疑虑。
１．４．２课鞑的主要任务
本课题将要完成的主簧任务如下：
（１）辊城手巍逶弱掇城手，医此翔对于专期枫城警来说，窀熬适用嚣必须更广。（２）选取机械手的座标鹜式和自由度
（３）设计出机械手的各执行机构，包括：手部、拳腕、筝臂等部件的设计。为了僵逶溺魏冕强，等部设诗残毒更换结秘，甄《班建夹持式等密寒瓤取捧瓣王释，又可以用气流负厩式吸盘来吸取掇料工件。
（４）气联传动系统豹设计
本课耱将设计出租械乎的气送传动系统，霞捂气动元器件豹逸凝，气麓目籍的设计，并绘出气动原理豳。
（５）对气蓬转动系绞爨爨墅豹参数化绘制进行礤究，提糍绘圈效率，改荣绘图质量。
（６）机械手的控制系统的设计
本税壤手｛耋ｌ采鬻爵缡耪序控铡器（ＰＬＣ）霹辊城手透露控翻，零课瑟终要选取ＰＬＣ型号，根据机械手的工作流程编制出ＰＩＺ程序，并懒出梯形图。
第二章机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
２．１机械手的座标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。
图２—１所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。
下概晡
横一
手格
下幅姊
图２—１机械手的运动示意图
Ｆｉｇ．２－ＩＳｋｅｔｃｈＭａｐｏｆｔｈｅＭｏｔｉｏｎｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
２．２机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部；当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
２．３机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。
２．４机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。
２．５机械手的驱动方案设计
由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，因此本机械手采用气压传动方式。
２．６机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（ＰＬＣ）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变ＰＬＣ程序即可实现，非常方便快捷。
２．７机械手的主要参数…“１
１、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以１０公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为ｌＯ公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附５公斤的重物。
２、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。
该机械手最大移动速度设计为１．２ｍ／ｓ，最大回转速度设计为１２０ｏ／ｓ。平均移动速度为Ｉｍ／ｓ，平均回转速度为９０ｏ／ｓ。
撬壤警凄嫠蹿蠢痘动、箨止过程约燕、减速度存在，糖速度—行程蛰线来说明速度特性较为奄面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。
豫了逡凌速度滚拜，警篱设计瓣基本参数还鸯传壤行羧帮工豫半径。大帮努机械手设计成相当于人工嫩着或站着且略肖走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大丽剐性降低。农这神情况下宣采用自动传送装鬣为好。穰据统计和院较，该辊械手手臂的伸缩行程定为６００ｒａｍ，最大工律半径
约为１５００ｒａｍ，手臂安装前后可调２００ｒａｍ。手臂回转行程范围定为２４０ｏ（成大于
１８０ｏ，否则需安黻多只手臂），又由于该机械手设计成手臀安装范围可调，从而
扩大了它戆使蔫藏疆。手饕舞簿移程定兔１５０ｒａｍ。
定位精度也怒基本参数之一。该机械乎的定饿精度为±Ｏ．５～土ｌｍｍ。２．８机械手的技术参数列表
一、用途：
用于１００吨以上冲床上下料。
＝、设谤技本参数；
ｌ、抓重
１０公斤（夹持式手部）
５公螽（气滚囊歪式彀盘）
２、自由度数
４个囊由度
３、座标爨式
圆柱座标
４、最大王终半径
１５００ｍｍ
５、手臂最大中心高
１３８０ｍｍ
６、手臂聪动参数
搀缩纷程６００ｒ硼
伸缩速度５００ｔｍ／ｓ
升降行程２００ｍ
秀蹲建废３００辫／ｓ
回转范围０ｏ～２４００
回转速度９０。／ｓ
７、手腕避动参数
回转范围００～１８００
回转速度１８０。／ｓ
８、手指夹掩范围
棒料：ｍ８０～咖１５０ｒａｍ
片瓣；鞭积不大予０．５ｍ２
９、定位方式
牙程西关或可调捉城挡块等１０、定位精度
４－０．５ｍ
１１、缓；孛方式
液压缓冲器
１２、驱动方式
气匿传动
１３、控制方式
点位程序控制（采用Ｐ∽）
黉２—６机械母转工律范蔺
Ｆｉｇ．２－６ＷｏｒｋＲａｎｇｅｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
．１２?８Ｎ
第三章手部结构设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部：当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
３．１夹持式手部结构１７ＨＩｌＪ
夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等。
３．１．１手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：按手指夹持工件的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种；按模仿人手手指的动作。手指可分为一支点回转型。二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位景，能适应不同直径的工件。
３．１．２设计时考虑的几个问题
（一）具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
（－－）手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
（三）保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“Ｖ”形面的手指，以便自动定心。（网）具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和剐度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
（五）考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形。故手指形状设计成Ｖ型，其结构如附图所示。
３，１．３手部夹紧气黻的设计‘２２ｊ牡４ｌ
１、学帮驱动力诗冀
本课题气动机械手的手部结构如图３—２所示，其工件蘧量Ｇ＝１０公斤，“Ｖ”形手指豹爨发２０＝１２０。，ｂ＝１２０ｍｍ，Ｒ＝２４ｍｍ，瘁擦系数荛ｆ＝０。１。
躅３—２齿轮鼗夺式手部
Ｆｉｇ．３－２ＧｅａｒＷｈｅｅｌＢａｎｄ
（１）穰掭等舔结稳懿健袭示意鍪，其驱动＿鸯舞；
Ｐ：２＿ｂＮ
置
（２）根据孚指夹持工律的方位，霹褥握力计算公忒：
Ｎ＝０．５Ｇｔｇ（ｅ一咖）＝０．５ｘｌＯＸｔｇ（６００－－５０４２’）≈５０（Ｎ）
所以：
黔丝Ｎ：４９０（Ｎ）
鬟
（３）实际驱动力：
‰≥Ｐ华
因必传力机梅为齿轮齿条传动，教敬ｑ＝０．９４，并联墨＝１．５。
著被抓取工件的最大加速度取ａ－ｇ时，则：
Ｋ，：ｌ＋塞＝２
‘
ｇ
新媛：
Ｐ端＝４９０×警ｍ１５６３㈣
所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为１５６３Ｎ。
２、气缸的随径
本气鼓藩手擎翔箨羯气敷。壤攥力平簿藤理，攀彝终惩气艇透纛抒上豹辕是捺力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，萁公式为：
ＦＩ＝华一Ｆ，一Ｆ：
４‘‘
式串：Ｆ，——活塞释上豹攘力，Ｎ
Ｆ．——弹簧发作用力，Ｎ
Ｆ：——气缸正作时的总阻力，Ｎ
卜气缸王律莲力，Ｐａ
弹簧反作用按下式计算：
Ｆ，气，（１＋Ｓ）
式中：Ｃ，——弹鬣网４度，Ｎ／ｍｌ——弹簧预压缩量，ｍ
卜活塞行程，ｍ
ｄ。——弹簧钢丝直径，ｍ
瑟ｌ——弹蓑警均耋缀，曩，一锨４、｜一８Ｄ，３ｎ
Ｄ２——弹簧外径，Ｉｎ
ｎ一弹簧有效圈数
Ｇ一弹簧楗辩剪切摸量，一般取６＝７９。４×１０’Ｐａ在设计中，必须考虑负载率ｒｌ的影响，则：
Ｆ。＝垄４血一Ｆ：
由潋主分橱褥单淘终曩气教熬壹经：
盼Ｊ篆≯
代入有关数据，可得：
中罴
＝７９．《Ｘ１０９×（３．５Ｘ１０－｛）４／［８Ｘ（３０×ｌＯ。）×１５】
＝３６７７．４６（Ｎ／ｍ）
Ｆ，＝Ｃｒ（１＋Ｓ）
＝３６７７。４６×６０×１０心
所戳：Ｄ．，ｆ蚴
＝２２０．６Ｎ
Ｙ即叩
＝［４×（４９０＋２２０．６）／（Ⅱ×０．５Ｘ１０６×０。４＞】“２
＝６５．２３（Ｈ擞）
奁有关手册圆整。得Ｄ＝６５ｌｌ越
由ｄ／Ｄ＝０．２～Ｏ．３，可得活塞杆直径：ｄ＝（０．２～Ｏ．３）Ｄ＝１３～１９．５ｍｍ
嚣整嚣，取活塞移蕊径ｄ＝１８ｍｉｌｌ
校棱，按公式Ｆ．／（Ⅱ／４ｄ２）≤［ａ］
有＃ｄ≥（４Ｆ．／靠【ｏ］）’７２
箕审，［口】＝１２０ＭＰａ，Ｆｌ＝７５０Ｎ
则：ｄ≥“×４９０／＃×１２０）ｍ
＝２．２８≤１８
满足设计要求。
３、缸篱壁簿静设计
缸筒崴接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之毙小予或等予ｌ／１０，其缝厚哥按薄壁篾公式诗舅：
６＝ＤＰ。／２［ｏ］
式孛：６——鑫甓壁浑，瓣
卜气缸内径，咖
Ｐ。——实验莲力，取Ｐｐ；ｌ。５Ｐ，Ｐａ
材料为：ＺＬ３，［Ｏ］＝３ＭＰａ
代入已知数据，则壁厚为：
＝６５Ｘ６×ｉ０５／（２Ｘ３×ｉ０６）×ｉ０—３
＝６．５唧
取８＝７．５咖，则缸筒外径为：０＝６５＋７．５×２＝８０ｍｌｎ。
３．２气流负压式吸盘…－
气流负压式吸盘是利用吸盘（即用橡胶或软性塑料制成皮腕）内形成负压将工件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更为明显。
气流负压式与钳爪式手部相比较，气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀，但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。
按形成负压（或真空）的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。
图３—３喷射气流原理图
Ｆｉｇ．３－３ＰｒｉｎｃｉｐｉｕｍＤｉａｇｒａｍＯｆＥｊｅｃｔＡｉｒｆｌｏｗ
喷射式气流负压吸盘的工作原理如图３ｈ３所示，根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单的情况下，低流速（高压强）截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速（低压强）截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩空气由喷嘴进口处Ａ进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处Ｋ时（即临界面积），流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷
嘴进口处的压力之半，即Ｐ。－－－－－０．５２８Ｐ。。为了使喷嘴出口处的压力Ｐ：低于Ｐ。，