小型气动机械手的设计
摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。
关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计
Design of Small Pneumatic Manipulator
Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used.
Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design
1 前言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效
益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。
气动机械手强调模块化的形式, 现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等), 气动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位), 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。
90年代初, 由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”六脚勘探员, 是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6个脚中的每一个脚都有3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/退回运动, 另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人, 它集遥感技术和真空技术于一体, 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。
T ron-X电子气动机器人, 能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动, 并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的编程控制) 能与人进行对话, 或作自我介绍等。T ron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体, 它告诉我们, 气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度, 具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。
2 气动机械手的总体设计方案
机械手的基本结构
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。执行机构主要是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。
2.1.1 手部
手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部。气动手指是模拟人的手指抓紧工件，以实现机械手的动作的气缸。按结构特点可分为旋转驱动型、平行开闭型、支点开闭型和三爪开闭型。
2.1.2 腕部
腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最
为复杂的部分。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转气压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，一般小于 270度,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
2.1.3 臂部
手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
机械手的基本形式选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
(1)直角坐标型机械手；
(2)圆柱坐标型机械手；
(3)球坐标(极坐标)型机械手；
(4)多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。
机械手的主要部件及运动参数设计
在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有4个自由度：手臂伸缩；手臂回转；机身回转；机身升降。
本设计的机械手主要由3个大部件和4个气缸组成：
手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。
臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。
机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动[1]。
设计技术参数:
（1）抓重:2Kg (夹持式手部)
（2）自由度数:4个自由度
（3）座标型式:圆柱座标
（4）最大工作半径:600mm
（5）手臂最大中心高:400mm
（6）手臂运动参数
伸缩行程：350mm
伸缩速度：≤ 200mm/s
升降行程：250mm
升降速度：≤ 100mm/s
回转范围：0~360°
回转速度：≤ 60mm/s
3手部的设计
手部的基本要求
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，当工件是圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次设计采用的是夹持式手部结构。
3.1.1夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜锲杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
3.1.2 对手部的基本要求
（1）具有足够的夹紧力；
在确定手指的夹紧力时，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。
（2）手指间应具有一定的开闭角；
两手指张开和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，夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。
（3）保证工件准确定位；
在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用IT8级，能满足工件的定位。
（4）具有足够的强度和刚度；
手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。
（5）考虑被抓工件的形状要求。
手部的结构设计
根据本机械手的使用范围，本机械手采用手指式机械手部。根据工件的形状，采
用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便如图1。
图1齿轮齿条式手部
Fig 1 The hand of gear wheel
之所以不选用平行开闭手指是因为其所夹紧的工件直径较大，开闭行程比较难满
足。 手部的计算
3.3.1手指夹紧力的计算
手指夹在工件上的夹紧力时设计手部的主要依据，一般来说手指对工件的夹
紧力可按下式计算：
G K K K F N 321≥ （1）
式中：
1K ——安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在~，故取；
2K ——工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工件
情况系数2K ，2
K =1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=，故取1； 3K ——方位系数，根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选定，
f K /sin 5.03θ=，摩擦系数060,1.0==θf ,故取3。
G ——被抓取的工件的重量 Kg
详细D=W=G 图=纸：三 二 ③ 1爸 爸 五 四 0 六 全 套 资 料 低 拾10快起
所以
N F N 92315.1=???≥。
3.3.2 驱动力计算
根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：
N F R
b p 2= （2） 由图3-2可知，b=120mm ,R=24mm,
故
N F R
b p 2=
=90N 实际驱动力：
η
/21K PK P ≥实际 （3） 因为8级精度的齿轮传动的效率97.0=η，5.11=K ，12=K 。
所以 2.13997.015.190=÷??=实际P N
所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。
3.3.3 气压缸直径计算
本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力。其公式为：
z t F F P D F --4/=21π （4）
式中：
1F ——活塞杆上的推力，N
t F ——弹簧反作用力，N
z F ——气缸工作时的总阻力，N
P ——气缸工作压力，Pa 。
弹簧反作用力计算如下：
)(s l G F f t +=
n D Gd G f 3141/=
12d D D t -=
式中：
f G ——弹簧刚度，N/m
l ——弹簧预压缩量，m
s ——活塞行程，m
1d ——弹簧钢丝直径，m
t D ——弹簧平均直径，m
2D ——弹簧外径，m
n ——弹簧有效圈数，
G ——弹簧材料剪切模量，一般取Pa G 9104.79?=
在设计中，必须考虑负载率η的影响，故：
t F P D F -4/=
21ηπ （5）
由以上分析得单向作用气缸的直径: ηπp F F D t +(4=
1 （6） 代入有关数据，可得： n D Gd C f 314
18= =15
×)10×30(×8)10×5.3(×10×4.79334
39 =(/m)
)(s l G F f t +=
=?310-?
=(N) 所以可得到 ηπp F F D t )
(41+= =216]6.0)105.0()6.2202.139(4[÷?÷÷+?π
=(mm)
查《机械设计手册（气压传动）》表22-1-20，得D=40mm
由[2]d/D=~，可得活塞杆直径：
d=~D=12~20mm
故取活塞杆直径d=18mm 校核，按公式：
][)4//(21σπ≤d F
化简得 5.01])[/4(σπF d ≥
其中，N F MPa 2.139,120][1==σ
则： 5.0)120/2.1394(??≥πd
=≤
所以满足活塞杆设计要求。
3.3.4 缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，由于D/10≤δ,故其壁厚可按厚壁筒公式[1]计算: 2/)13.1][4.0][(
--+≥y y P P D σσδ
（7） 式中
δ—— 缸筒壁厚 mm D ——气缸内径 mm
P y ——实验压力，取P y =n ，Pa
缸筒应采用不锈钢、铝合金或黄铜等材质
本设计采用材料：ZL303
MPa n b 6.285/143/][===σσ
n 为安全系数，一般取5。
2/]110
×)75.0×3.1-6.28(10×)75.0×4.0+6.28([04≥66
δ =（mm ）
故取mm 5.2=δ，则缸筒外径为40+?=45mm 。
4 腕部的设计
腕部的基本要求
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必须设有回转运动才可能满足工作的要求。换句话说，为了使手部出于空间任意方向，要求腕部能分别对空间三个坐标轴X 、Y 、Z 实现转动。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。
设计时主要要注意以下几点：
（1）结构尽量紧凑以减轻重量；
（2）转动的灵活性及密封性；
（3）考虑通向手部油路的配置。
腕部的结构设计
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具备有独立的自由度，使得机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置；同时考虑到通用性，因此给手腕设计一绕X 轴转动回转运动才可以满足工作的要求，目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，它的结构紧凑，但回转角度小于360度，并且要求严格的密封。
图2 手腕回转时受力状态
1-工件 2-手部 3-手腕
Fig2The stress state of wrist rotation
1- the 2- hand 3- wrist
驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩已经由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。如图2。
腕部的计算
4.3.1 驱动力计算
手腕转动时所需的驱动力矩可按[1]下式计算：
封摩偏惯驱M M M M +++=M (8)
式中：驱M ——驱动手腕转动的驱动力矩(N ?cm)
惯M ——惯性力矩(N ?cm)
偏M ——偏重力矩(N ?cm)
封M ——手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N ?cm)。
根据图4-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：
（1）若手腕起动过程按等加速运动，手腕角速度为ω，起动过程所用的时间为t ?，则：
t
J J M ?ω）（惯1+=(N ?cm) (9) 式中：
J ——参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N 2s cm ??）
1J ——工件对手腕转动轴线的转动惯量（N 2s cm ??）
ω——手腕转动时的角速度（弧度/S ）
t ?——起动过程所需的时间（s ）
若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量1J 为：
2
111
e g G J J c +=
(10) 式中：
c J ——工件对过重心轴线的转动惯量（N 2s cm ??）
1G ——工件的重量(N)
1e ——工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩偏M
3311G e G e M +=偏(N ?cm) (11) 式中：
3G ——手腕转动件的重量（N ）
3e ——手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm ）
当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则011=e G 。
（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩摩M
)(212d R d R f
M B A +=摩(N ?cm)
式中：
21,d d ——转动轴的轴颈直径（cm ）
f ——摩擦系数，对于滚动轴承01.0=f ，对于滑动轴承1.0=f
B A R R ,——处的支承反力（N ），可按手腕转动轴的受力分析求解，
根据0)(=∑F M A ，得：
112233l G l G l G l R B +=+
l l G l G l G R B 3
32211-+=
同理，根据0)(=∑F M B ，得： l l l G l l G l l G R A )
()()(332
211-++++=
(12)
式中：
2G ——手部的重量(N)
321,,,l l l l ——长度尺寸（cm ）。
4.3.2 气压缸压力验算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图3所示。
图3回转气缸
Fig3 Rotary cylinder
定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当液体从孔a 进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的液体从b 孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。叶片J 气缸的压力p 和驱动力矩M 的关系为:
()
222M P b R r ≥-或2)(22r R pb M -= (13)
式中：
M ——回转气缸的驱动力矩(N ﹒cm)
P ——回转气缸的工作压力(N ﹒cm)
R ——缸体内壁半径(cm)
r ——输出轴半径(cm)
b ——动片宽度 (cm)。 气缸长度设计为b=100mm ，气缸内径为mm D 961=，半径R=48mm ，轴径262=D mm,半径R=13mm,气缸运行角速度s /900，加速度时间s t 1.0=?，压强p=,则力矩：
2
)(22r R pb M -= =2
)026.0-048.0(1.0×10×4.0226 =(N ﹒m)
（1）测定参与手腕转动的部件的质量kg m 101=，质量密度等效分布在一个半径mm r 50=的圆盘上，那么转动惯量： 2
2
1r m J = (14) =2
05.0102? =(kg 2m ?)
工件的质量为2kg,质量分布于长mm l 200=玻璃杯上，那么转动惯量： 12
2ml J c = (15)
=12
2.022
? =（kg 2m ?）
假如工件中心与转动轴线不重合，对于长mm l 200=的玻璃杯来说，最大偏心距mm e 501=，其转动惯量为：
211e m J J c += (16) =+2205.0?
=（kg 2m ?） t
J J M ?+=
ω)1（惯 (17) =+1.090 =(N m ?)
(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为偏M ，考虑手腕动作重心
与转动轴线重合，01=e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线3e =50mm ，则有： 3311G e G e M +=偏 (18) =205.010??
=1(N m ?)
(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M ，对于滚动轴承01.0=f ，滑动轴承
1.0=f ，21,d d 为手腕转动轴的轴颈直径，mm d mm d 20,3021==，B A R R ,为轴颈处的支承反力，粗略估计N R N R B A 150,300==。 )(2
12d R d R f M B A +=摩 (19) =2
)03.015002.0300(01.0?+? =（N m ?）
(4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩封M ，与选用的密封
装置的类型有关，应根据具体情况具体分析。此处粗略估计封M 为摩M 的3倍，则有：
封M =3? 摩M (20)
=305.0?
=（N m ?）
故 封摩偏惯驱M M M M +++=M
=+1++
=23（N m ?）
因为M M <驱
所以满足设计要求。
5 臂部的设计
臂部的基本要求
臂部是支撑手部和腕部的，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。
臂部的运动与结构形式对机械手的工作性能有着重大的影响。其基本要求有：
(1) 刚度要好
手臂的截面形式要选择合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。
(2) 偏重力矩要小
所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。
(3) 重量要轻，惯性要小
由于机械手在高速的情况下经常启停和换向，为了减少冲击，必须设有缓冲装置。
(4) 导向性要好
为了防止手臂在直线移动中沿运动轴线发生相对运动，保证手部的正确方向，必须设有一导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。
臂部的具体设计方案
常见的手臂伸缩机构有以下几种：
(1)双导杆手臂伸缩机构；
(2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；
(3)双活塞杆液压缸结构；
(4)活塞杆和齿轮齿条机构。
在本次设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参考各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本次设计的要求，气缸采用CTA 系列的伸缩气缸。初选内径80/50，故502=D mm ，
R=25mm,设计所使用的压强P=。
手臂伸缩的计算
手臂伸缩时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式[1]计算：
q m g P F +F kgf = (21) 式中：
m F ——摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与气缸及密封处的摩擦阻力
g F ——起动过程的惯性力；其大小按下式[1]估算 gt
G F g ν= (22) 式中：
G ——手臂移动部件的总质量 kgf
g ——重力加速度 2
m/s
υ——手臂运动速度 m/s
t ——起动时所需的时间 s 一般t=~
g m kF F =
K ——摩擦系数，一般k=，
故：
gt G F F P m g q ν2.1=+= =1
.05.0302.1?? =180（N ）
液压缸实际驱动力
2R P F π?==26025.014.310
4.0???=785（N ）
因为F>q P 故满足设计要求。 手臂升降的计算
5.4.1尺寸设计
气缸运行长度设计为mm l 250=，气缸内径为mm D 631=，半径R=31.5mm ，气缸运行速度，加速度时间s t 1.0=?，设计压强P=，则驱动力为：
2R p F π?=
=260315.014.3104.0???
=（N ）
5.4.2 尺寸校核
升降运动时，活塞气缸的驱动力可按下式[1]计算
Q M G P F F W =+± (23)
式中：
M F ——各个支撑处的摩擦力 kgf
G F ——启动时惯性力 kgf
W ——运动部件（包括手部、腕部、工件等的总重量） kgf
±——上升时为正，下降时为负
M F 取G F ，代人数据可得：
Q M G P F F W =+± =W gt
G ±ν5.1 =50±1.05.0×50×5.1
=50275±
因为F P Q <
故所设计尺寸符合实际使用要求。 手臂回转气缸的计算
5.5.1 尺寸设计
气缸长度设计为b=120mm,气缸内径为mm D 2101=，半径R=105mm ，轴径
mm D 402=，半径R=20mm ，气缸运行角速度s /900=ω，加速度时间s t 5.0=?，压强P=。 则力矩：
2
)(22r R Pb M -= =2
)02.0105.0(12.0104.0226-?? =255（N m ?）
5.5.2 尺寸校核
腕部回转时驱动力矩可按下式计算：
封摩偏惯驱M M M M +++=M
式中：驱M ——驱动手腕转动的驱动力矩(N ?cm)
惯M ——惯性力矩(N ?cm)
偏M ——偏重力矩(N ?cm)
封M ——手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N ?cm)。
（1）测定参与手腕转动的部件的质量kg m 1001=，质量密度等效分布在一个半径mm r 100=的圆盘上，那么转动惯量： 2
21r m J = =21.01002
? =(kg 2
m ?)
t M ??=/J ω惯
=90（N m ?）
（2）手腕转动件和工件的偏重转动轴线所产生的偏重力矩偏M ，考虑动件重心与转动
轴线重合，故01=e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm e 503=，故： 3G e M =偏=1001005.0??=50（N m ?）
（3）转动气缸转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M ，考虑轴承，油封之间的摩擦力，
设定摩擦系数k=,故：
惯摩M k M ?==1890=?（N m ?）
54183M 3=?=?=摩封M （N m ?）
则有：
封摩偏惯驱M M M M +++=M
=90+50+18+54=212（N m ?）
因为M <驱M
故回转气缸满足设计要求。
6 气动系统设计
气动系统的设计要求及选择
本次设计的工业机械手属坐标式机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。
设计要求：
(1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相
应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现；
(2)机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调；
(3)控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。
本次设计采用气压传动的控制方式,相比其他传动控制方式,气压传动有以下优点:
(1)工作介质是空气，它来源方便，取之不尽用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要专门的回收装置；
(2)空气粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能，高效，适用于集中供气和远距离输送；
(3)动作迅速，反应快，调节方便，维护简单；
(4)工作环境适应性好；
(5)成本低，具有过载保护功能。
气压回路的选择
6.2.1 各气压缸的换向回路
为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。气压机械手采用单泵供气，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供气，这样可有效降低系统的供气压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。
6.2.2 调速方案
整个气压系统只用单泵工作，各气压缸所需的流量相差较大，各气压缸都用气压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的气压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证气压缸的平稳运行。各缸可选择进气路或回气路节流调速，选用节流阀调速。
单泵供气系统以所有气压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。
6.2.3 缓冲回路
伸缩臂处设置缓冲回路，使用节流减速缓冲。
6.2.4 系统安全可靠性
手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。
气压传动系统工作原理图
6.3.1工作原理图
图4所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（1Mpa）通过快换接头进入出气罐，经分水过滤器、油雾器、进入各并联气路上的电池阀，以控制气缸和手部动作。
具体工作原理如下：当工件A进入机械手范围内时，电磁阀1AY开启，手臂伸长，夹紧缸左边阀9AY开启经排气口排空，将工件夹好；另一路7AY通电，手臂回转，1AY断电，2AY通电，手臂缩回；机身下降3AY通电，之后旋转到达目的机身回转5AY通电，10AY 通电，夹紧缸伸出工件掉落。回路时，5AY断电，6AY通电，回转到一定角度后，3AY 断电，4AY通电，机身上升；当达到高度时，重复。
图4气压系统原理图
Schematic diagram of 4 pressure system
7 结论
本次毕业设计，花费了较多的心思设计的气动机械手能很好的完成搬运和装卸运动。通过机身的收缩实现上下运动，通过臂架的收缩实现左右运动，通过回转气缸实现旋转运动。能方便的完成轻型工业化的自动生产，对提高工作效率有较好的帮助。同时也降低了成本，减少人为的出错率等。
在做毕业设计的同时也让我对以前所学的专业知识更加的熟悉，使的我先前所学的理论知识得以在实践中得到应用，让我更好的了解了本专业的特色对即将进入工作岗位有了更多的信心和自信。
参考文献
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Analysis[R]. USA:Academis Press,1997
[20] Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation Research[R].
USA:Prentice Hall Inc.,1977
致谢
小型气动机械手的设计 摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。 关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计 Design of Small Pneumatic Manipulator Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 1 前言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的
机电控制课程 课程设计说明书 课程名称：机电控制PLC设计 设计题目：气动机械手控制系统设计 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：2010 12 10
内容摘要 机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。由于气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气动技术。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。因此，对气动机械手的研究具有重要的实际价值。 关键词：机械手 PLC 自动控制气动技术
目录 第一章引言 (3) 第二章 PLC的发展 2.1 PLC的由来和发展 (3) 2.2 可编程控制器的概念 (4) 2.3 PLC基本结构和工作原理 (5) 第三章气动机械手控制系统设计 3.1 I/o地址分配表 (7) 3.2 PLC系统选择 (7) 3.3 PLC的输入输出设备接线图 (7) 3.4系统控制方案流程图 (9) 3.5程序设计和梯形图 (10) 第四章总结 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)
第一章引言 引言 PLC技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平。它与数控技术，工业机器人技术已成为机械工业自动化和CIM的三大支柱。据预测，在90年代，美、日、德等发达国家的控制屏将完全由PLC所占据。由于PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速，使它已远远超出单纯取代继电器的应用领域，远远超出逻辑控制的范畴，在从单机自动化到整条生产线自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从FMS、工业机器人到大型分散型控制系统中都担当着重要角色。 第二章 PLC的发展 2.1 PLC的由来和发展 1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即： 1）编程简单方便，可在现场修改程序； 2）硬件维护方便，最好是插件式结构； 3）可靠性要高于继电器控制装置； 4）体积小于继电器控制装置； 5）可将数据直接送入管理计算机； 6）成本上可与继电器柜竞争； 7）输入可以是交流115V； 8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀； 9）扩展时，原有系统只需做很小的改动； 10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。 根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC （PDP—14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。 PLC问世以来，其发展极为迅速。由最初的1位机发展为8位机，现在的大型PLC已采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。
毕业设计（论文）题目：气动机械手的设计 系部：机电工程系 专业：数控技术 班级： ： 学号：
目录 摘要 (3) 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.2机械手的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.2机械手的手部结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.7机械手的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.8机械手的技术参数列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.1手指的形状和分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.2设计时考虑的几个问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
[机电一体化]论文
目录 第一章绪论............................................... ３ 1.1 气动机械手概述.......................................... ３ 1.2 机械手的组成和分类...................................... ３ 1.2.1机械手的组成........................................ ３ 1.2.2机械手的分类........................................ ５ 1.3 国内外发展状况.......................................... ７ 1.4课题的提出及主要任务..................................... ８ 1.4.1课题的提出.......................................... ８ 1.4.2课题的主要任务...................................... ９第二章机械手的设计方案................................. １０ 2.1机械手的坐标型式与自由度............................... １０ 2.2 机械手的手部结构方案设计.............................. １１ 2.3 机械手的手腕结构方案设计.............................. １１ 2.4 机械手的手臂结构方案设计.............................. １１ 2.5 机械手的驱动方案设计.................................. １１ 2.6 机械手的控制方案设计.................................. １２ 2.7 机械手的主要参数...................................... １２第三章气动系统设计...................................... １３3．1 气压传动系统工作原理图............................... １３第四章机械手的PLC控制设计.............................. １４ 4.1可编程序控器的简介..................................... １４
编号：SM-ZD-30903 通用上下料气动机械手结 构设计 Organize enterprise safety management planning, guidance, inspection and decision-making, ensure the safety status, and unify the overall plan objectives 编制：____________________ 审核：____________________ 时间：____________________ 本文档下载后可任意修改
通用上下料气动机械手结构设计 简介：该安全管理资料适用于安全管理工作中组织实施企业安全管理规划、指导、检查和决策等事项，保证生产中的人、物、环境因素处于最佳安全状态，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。 气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，应用特点广泛。论文介绍了气动机械手的原理，对机械手的主要部件和设计要求做了相关的阐述，另外对机械手回转臂的结构帮了优化措施。 气动机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，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。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。 在现代工业技术应用的气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
毕业设计(论文) 题目: 气动机械手升降臂结构设计，面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。 本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。 利用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选取了合适的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，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。 关键词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教
Abstract This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration. This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part. This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting. With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) -Point Demonstration part. Keywords: industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen; Demonstration
机电控制课程课程设计说明书 课程名称：机电控制PLC设计 设计题目：气动机械手控制系统设计专业：机械设计制造及其自动化班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：2010 12 10
内容摘要 机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。由于气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气动技术。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。因此，对气动机械手的研究具有重要的实际价值。 关键词：机械手 PLC 自动控制气动技术
目录 第一章引言 (3) 第二章 PLC的发展 2.1 PLC的由来和发展 (3) 2.2 可编程控制器的概念 (4) 2.3 PLC基本结构和工作原理 (5) 第三章气动机械手控制系统设计 3.1 I/o地址分配表 (7) 3.2 PLC系统选择 (7) 3.3 PLC的输入输出设备接线图 (7) 3.4系统控制方案流程图 (9) 3.5程序设计和梯形图 (10) 第四章总结 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)
第一章引言 引言 PLC技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平。它与数控技术，工业机器人技术已成为机械工业自动化和CIM的三大支柱。据预测，在90年代，美、日、德等发达国家的控制屏将完全由PLC所占据。由于PLC吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速，使它已远远超出单纯取代继电器的应用领域，远远超出逻辑控制的范畴，在从单机自动化到整条生产线自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从FMS、工业机器人到大型分散型控制系统中都担当着重要角色。 第二章 PLC的发展 2.1 PLC的由来和发展 1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即： 1）编程简单方便，可在现场修改程序； 2）硬件维护方便，最好是插件式结构； 3）可靠性要高于继电器控制装置； 4）体积小于继电器控制装置； 5）可将数据直接送入管理计算机； 6）成本上可与继电器柜竞争； 7）输入可以是交流115V； 8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀； 9）扩展时，原有系统只需做很小的改动； 10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。 根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC （PDP—14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。 PLC问世以来，其发展极为迅速。由最初的1位机发展为8位机，现在的大型PLC已采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。
气动机械手设计说明书
作者: 日期：
目录 气动机械手及继电器控制系统设计 (4) 第一章绪论 (4) 1.1气动机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1.......................................................... 机械手的组成 5 1.2.2.......................................................... 机械手的分类 5 1.3 课题的提出及主要任务 (7) 第2章继电器硬件系统设计 (8) 2.1系统分析 (8) 2.2方案确定 (9) 2.3元器件介绍 (9) 第三章软件系统设计 (14) 3.1控制方案的确定 (14) 3.2工作过程 (17) 第四章调试过程 (19) 第五章设计总结 (23) 第六章附图 (25) 6.1 三维零件图： (25) 6.2三维装配图： (26) 第七章参考文献 (28)
气动机械手及继电器控制系统设计 第一章绪论 １.1 气动机械手概述 气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率, 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，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
目录 气动机械手及继电器控制系统设计 (2) 第一章绪论 (2) 1.1 气动机械手概述 (2) 1.2 机械手的组成和分类 (3) 1.2.1 机械手的组成 (3) 1.2.2 机械手的分类 (3) 1.3课题的提出及主要任务 (5) 第 2 章继电器硬件系统设计 (6) 2.1 系统分析 (6) 2.2方案确定 (7) 2.3元器件介绍 (7) 第三章软件系统设计 (12) 3.1控制方案的确定 (12) 3.2 工作过程 (14) 第四章调试过程 (17) 第五章设计总结 (21) 第六章附图 (23) 6.1 三维零件图： (23) 6.2 三维装配图： (24) 第七章参考文献 (26)
气动机械手及继电器控制系统设计 第一章绪论 1.1 气动机械手概述 气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，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。随看工业技术的发展，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
课程设计说明书 2015 年 6 月9 日
目录 摘要 (2) 第1章概述 (3) 1.1设计目的 (3) 1.2课题的内容和要求 (4) 1.3进度安排 (4) 1.4设计进度安排 (4) 1.5基本要求 (5) 第2章课程设计的总体方案 (6) 2.1总体方案的确定 (6) 2.2 机械结构的设计 (6) 2.3 软件设计 (6) 第3章机械部分设计 (7) 3.1 元器件选型 (7) 3.2 机械结构构件及说明 (7) 3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算 (8) 3.4 滚珠选择 (8) 3.5滑块导轨的选择与校核 (8) 3.6 弯曲应力σm的计算 (9) 3.7选择联轴器的考虑因素 (10) 3.8 轴承的选用与校核 (11) 第4章控制系统的设计 (14) 4.1 控制系统硬件电路的设计 (14) 4.2控制系统软件编程设计 (16) 参考资料 (18) 附录一：cad图纸 (19) 附录二：proe图 (20) 附录三：程序 (22)
摘要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 本课题以52单片机为核心设计，通过AutoCAD，proe技术对机械手进行结构设计，实现所需要的功能。 关键词：机械手、52单片机、AutoCAD、Proe
第1章概述 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。 简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。 要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成 1.1设计目的 《单片机原理及接口技术课程设计》是机械电子工程专业的学生在完成《单片机原理及接口技术》等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提
气动机械手－设计说明书
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一、设计要求 为卸码垛机械手臂配制造附件,即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。本设计拟搬运宽度尺寸9０～11０mｍ、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10ｋg以内,手指的动力驱动方式自选。 二、具体设计方案 本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型,通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。 首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动,而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够,而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高,故在此不作进一步研究。 根据实验室的机械手模型,我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪,接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。 2．1机械手手爪伸缩运动的设计 通过查阅相关资料,对于夹持型手爪进行受力分析如图所示,两个手指总夹持力2μＦ必须大于夹持工件的重力ｍg 故应满足2μF>mg，即F>mg/２μ 式中μ为摩擦系数,本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令μ=0.65； 另外已知m为5kg； 由此可得 F>ｍg／2μ=5×9．8/(2×0.６5)＝38N
机械手的结构图如下： 此部分为机械手的夹持部分,由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松,而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得: Ｄ=(4F／(πPη)）? 其中η为负载率,一般取0．4。代入相关数据可得：D=0．017m 又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即 ｓ=π*（R2-r2)=π*D2/4 (其中Ｒ为腔体外半径，r为轴半径) 只要圆环面积s大于π*D2/4即可,现取Ｄ=0.02m=20mｍ r=10mm R＝20mm 则s的面积足够大,能提供足够的推力来满足运动。 之后根据所夹持件尺寸的要求是9０至11０mm,则按照90mm来计算(最小的工件尺寸），若能夹到的话,则110ｍm的也一定能夹到,然后通过一系列的尺寸推导运算(该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。
机械创新设计 2010-2011第2学期 姓名： 班级： 指导教师： 成绩： 日期：2011 年 7 月
2008届机械设计制造专业创新设计 前言 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装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 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，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备. 机械手是模仿着人手的部分动作，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。 3
吉林工业职业技术学院 毕业论文 题目：气动机械手的设计 系部：化工机械系 专业：焊接技术及自动化 学生姓名：任冬雪 学号： 9 班级：焊接3102 指导教师：金妍 2013 年 04 月 15 日 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.2机械手的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.2机械手的手部结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.7机械手的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.8机械手的技术参数列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.1手指的形状和分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.2设计时考虑的几个问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.1.3手部夹紧气缸的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 第四章手腕结构设计 4.1手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19 4.2手腕的驱动力矩的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 20 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.1.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 5 .1 .3导向装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 5 .1 .4平衡装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 5.2.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26． 5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 5.3.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 第六章机械手的PLC控制设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 6.1可编程序控制器的选择及工作过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 6.1.1可编程序控制器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 6.1.2可编程序控制器的工作过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 6.2可编程序控制器的使用步骤．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 第七章结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 专业相关的资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
河北工程大学 课程设计指导说明书 课程题目: 机械手及控制系统设计 专业: 机械设计制造及其自动化—机电方向 班级: 机制11班 姓名: 唐科 学号 110070118 指导老师: 杨玉敏 目录 第一章绪论 1、1 题目要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、2 题目概况。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、3 气动机械手。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、4 气动机械手的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、5 课题的现实意义。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 第二章气动机械手的操作要求及功能 2、1 机械手移动动作示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、2 机械手操作面板图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、3 机械手的输入\输出信号定义图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2、4 机械手顺序动作的要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 第三章机械部分设计 3、1 气动搬运机械手的结构。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、2 机械手的主要部件及运动。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、3 驱动机构的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、4 机械手的技术参数列表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、5 气动回路的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、6 末端执行器的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 3、7 升降手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3、8 平移手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 第四章机械手控制设计
一绪论 （一）气压传动技术的研究发展动向 随着科学技术的不断进步，目前气压技术正向着高压、高速、大功率、高效、高度集成化的方向发展。虽然气压传动技术方便简洁，但是气压传动中存在着一些亟待解决的问题，如：气压系统工作时的稳定性、工作介质的泄漏、气压冲击对设备可靠性的影响等等，这些问题都是气压传动技术需要研究和解决的。任何技术的改革和创新，都必须以稳定、可靠的工作为前提，这样才具有它的实际意义。 （二）气压传动技术的应用 机械制造业，其中包括机械加工生产线上工件的装夹及搬送，铸造生产线上的造型、捣固、合箱等。在汽车制造中，汽车自动化生产线、车体部件自动搬运与固定、自动焊接等。 电子IC及电器行业，如用于硅片的搬运，元器件的插装与锡焊，家用电器的组装等。 石油、化工业用管道输送介质的自动化流程绝大多数采用气动控制，如石油提炼加工、气体加工、化肥生产等。 轻工食品包装业，其中包括各种半自动或全自动包装生产线，例如：酒类、油类、煤气罐装，各种食品的包装等。 机器人，例如装配机器人，喷漆机器人，搬运机器人以及爬墙、焊接机器人等。 其它，如车辆刹车装置，车门开闭装置，颗粒物质的筛选，鱼雷导弹自动控制装置等。目前各种气动工具的广泛使用，也是气动技术应用的一个组成部分。 （三）气压传动的特点 气压传动的优点：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；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；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；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；成本低，过载能自动保护。 气压传动的缺点：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；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；噪声较大，在高速排气时要加消声器；气动装置中