毕业设计（论文）-气动机械手结构设计-PLC控制仿真（全套图纸）(42页).doc

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1、-毕业设计（论文）-气动机械手结构设计-PLC控制仿真（全套图纸）-第 34 页气动机械手结构设计摘 要在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。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

2、高产品质量和生产效率的有效手段之一。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。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运用气动机械手，机械手可以实现在X、Z 两个坐标方向上的移动、绕Z轴的回转，手部可以加紧的执行机构。控制方面，采用X-D图法设计了控制该机械手动作的气动控制系统。这是一个开放的气动控制系统平台。该气动机械手的设计主要分为三个部分：总体方案设计，结构设计计算

3、及元件选型和机械手气动控制系统的设计。关键词：气动；机械手臂；PLC控制；设计与研究；ADAMS建模与仿真全套图纸加153893706AbstractIn modern industry, the production process mechanization and automation has become a prominent theme. With the further development of industrial modernization, automation has become an important pillar of the modern enterpris

4、e, no shop, no production lines, etc., have been everywhere. Meanwhile, modern production, there are a variety of production environments, such as high temperature, radiation, toxic gases, harmful gases and underwater operations, and other occasions, the harsh production environment is not conducive

5、 to manual operation. Modern industrial robots are appearing in the field of automatic control of a new technology, modern control theory and practice of industrial automation product of the combination, and to become a modern machinery manufacturing production systems is an important component. Ind

6、ustrial manipulator is to improve the production process automation, improve working conditions, improve product quality and production efficiency of the effective means. The robot is a compressed air pressure drive the pressure to drive the robot actuator movement. Its main features are: the media

7、is very convenient source, the output force is small, pneumatic and prompt action, simple structure and low cost. Especially in the high-temperature, high pressure, dust, noise and pollution with radioactive and occasions, more widely applied. In China, it has in recent years rapid development and a

8、chieved some result, by the machinery industry and railway industrial sector attention.The topic to be developed pneumatic material handling robot, the robot can be achieved in the X, Z direction of two coordinates the movement of rotation around the Z axis, the hand can step up the enforcement agen

9、cy. Control, the use of XD diagram method designed to control the movement of the pneumatic manipulator control system. This is an open pneumatic control system platform. The design of the pneumatic manipulator is divided into three parts: the overall design, structural design calculations and compo

10、nent selection and robotic pneumatic control system design.Key words :Pneumatic; Manipulator; Control of PLC; Design and Research; ADAMS Modeling and Simulation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题来源目的及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势31.2.1 国内研究现状及发展趋势31.2.2 国外研究现状及发展趋势41.3 研究内容拟解决的问题及设计要求5第2章 气动机械手臂的总体方案及结构设计72.1 机械手

11、的组成与分类72.1.1 机械手的组成72.1.2 机械手的分类82.2 机械手的坐标型式与自由度置102.3 机械手的主要部件及运动102.4 机械手的驱动方案设计102.5 机械手的控制方案设计112.6 机械手的技术参数列表112.7 气动机械手的总体方案112.8 本章小结13第3章 气动机械手的结构设计与校核143.1 机械手手部的设计143.1.1 手部设计基本要求143.1.2 典型的手部结构143.1.3 机械手手抓的具体设计143.2 机械手手臂的设计计算153.2.1 臂部设计的基本要求153.2.2 手臂的典型机构以及结构的选择163.2.3 手臂伸缩的设计计算163.3

12、 机身的设计计算193.3.1 机身的整体设计193.3.2 机身回转机构的设计计算203.3.3 机身升降机构的计算233.4 本章小结25第4章 气动系统设计及气动元件的选取264.1 气动控制系统的设计264.1.1 气动机械手的动作过程264.1.2 机械手的控制要求264.1.3 气动驱动回路系统设计274.2 气动元件的选取274.3 本章小结28第5章 气动机械手的PLC控制系统设计295.1 机械手的PLC控制设计295.1.1 可编程序控制器简介及工作过程295.1.2 可编程序控制器的使用步骤305.2 气动机械手的可编程序控制器控制方案及PLC选型315.2.1 气动机械

13、手的控制要求及系统控制方案315.2.2 系统简介315.2.3 气动机械手的工作流程325.2.4 PLC的选型和I/O分配325.3 PLC控制程序设计335.3.1 PLC总体结构335.3.2 各部分程序设计345.4 本章小结38第6章 气动机械手的ADAMS建模与仿真396.1 虚拟样机技术概述396.2 三位实体模型向ADAMS转化的方法406.3 运用ADAMS对机械手进行仿真416.4 用ADAMS仿真后处理426.5 本章小结44结 论45参考文献47第1章 绪 论用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。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

14、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。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产

15、机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 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。1

16、.1 课题来源目的及意义目前，在国内很多工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。自60年代初第一个机器人问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步，机械手做为核心的自动化设备在工业发达国家有了广泛的应用，极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。机械手技术是集机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、仿生学等学科为一体的综合技术，它是多学科科技

17、革命的必然结果。每一支机械手，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产品。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。机械手的关键技术，是对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程，目的在于制造出机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能机械手。气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气，环境污染小，工程容易实现，所以其言传动四一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化

18、生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用，引起了世界各国产业界的普遍重视，气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。鉴于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而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、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点，因此很适合在工业领域特别是那些环境比较差温度高，多震动、噪声大，灰尘多以及辐射等不适于人类长期工作的环境中工作。这样一来不仅提高了生产力，而且为生产力大大减轻了劳动强度和难度，为生

19、产提供了基本保障。可编程控制技器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，他具有机构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点，近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。机械手的应用意义可以概括如下： （1）可以高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它

20、毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。本设计是气动机械手臂的设计与研究，通过气动机械手臂的整体设计，零部件设计

21、及各部分运动关系等研究，实现仿真手臂的动作，并掌握机械手臂设计计算的一般过程，为设计更复杂的机械手臂奠定基础。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内研究现状及发展趋势气动机械手经过几十年的发展，如今已经进入以通用气动机械手为标志的时代。由于它的发展和应用，进而存进了智能机器人的研究。气动机械手臂设计的知识课内容，不仅包括一般的机械、气动、液压等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通用技术、计算技术、无线电控制和仿生学等。因此，他是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一技术都很重视，几十年来，这项技术的发展和研究一直比较郭跃，设计在不断的修改，品种也不断的增加，应用领域

22、也在不断的扩大。早在40年代，随着工业的发展，已经出现了模拟关节式的第一代气动机械手臂；50-60年代，支撑了传送和装卸工件的通用气动机械手臂和数控式气动机械手臂，也称作第二代气动机械手臂；60-70年代，又相继把以前的技术应用在汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，也就是第二代气动机械手臂这一技术进入了应用阶段；80-90年代，气动机械手臂处于鼎盛时机；90年代，气动机械手臂在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农业、矿业、航天、文娱、体育医疗、服务业、军事领域上都有较大的应用。总之，目前气动机械手臂主要经历分为三代：第一代气动机械手臂主要是靠人工进行控制，控制方式为开环时，没有识别

23、能力，改进的方向主要是降低成本和提高精度；第二代气动机械手臂设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，是之具有感觉技能；第三代气动机械手臂能独立完成工作过程中的任务，与电子计算机设备保持密切联系，并逐步发展成为柔性系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。气动机械手臂在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手，其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规

24、模应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。目前国内气动机械手臂主要应用机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业发展的需求。因此，国内主要是

25、逐步扩大气动机械手臂的应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的气动机械手臂，以减轻劳动强度，改作业条件，与此发展的同时，有条件的还有研制示教式和组合式的气动机械手臂等。将气动机械手臂各运动构件的的运动形式分为：伸缩、升降。旋转等。以及不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即便与设计制造，有便于改换工作，扩大了应用范围。同时要提高精度，减少冲击，典韦精确，以便更好的发挥气动机械手臂的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的气动机械手臂，并考虑计算机连用，逐步成为整个制造系统中的一个基本单元。随着计算机技术、微电子技术、网络技

26、术等的飞速发展，气动机械手臂技术也得到飞速的多元化发展。1.2.2 国外研究现状及发展趋势国外气动机械制造业中，应用较多，发展较快。目前主要用于机床、末端压力机的上下料，以及点焊、配齐等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不绝对任何传感反馈能力，不能应付外界的变化，如发生某种偏离时，将会引起零件部件甚至手臂机身的损坏。为此，国外气动机械手臂的发展趋势是大力研究具有某种智能的气动机械手臂，使其拥有一定的传感能力和能反馈外界条件变化做出相应变更的能力。如位置发生稍些偏差时，技能更正，并自行检测，重点是亚牛视觉功能和触觉功能。视觉功能即在气动机械手臂上安装电视照相机和光学测距仪（

27、即距离传感器）以及卫星计算机。工作室，电视照相机将物体形象编程视频信号，然后传给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制气动机械手臂进行工作。触觉功能即在机械手上安装触觉反馈控制装置。工作时手臂先去寻找工件，通过装在手臂上机械手的手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后身心概念股前方，抓住弓箭。手的抓力大小可以通过装在手指内的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的小。总之随着技术的发展，气动机械手臂装配作业的能力将进一步提高。目前国外气动机械臂的发展趋势向着下面几个方向发展：(1) 气动机械手臂性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。(2

28、) 气动机械手臂的结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、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械手整机，外已有模块化装配气动机械手臂产品问市。(3) 气动机械手臂控制系统向基于PLC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，且采用模块化结构，高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 气动机械手臂中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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，传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟

29、现实技术在气动机械手臂中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。(6) 当代遥控气动机械手臂系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。(7) 气动机械手臂开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。总的来说，国内在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主

30、系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3 研究内容拟解决的问题及设计要求(1) 本课题的研究内容 确定气动机械手的总体方案根据现场环境布局以及气动机械手的特点，确定设计的的总体方案，分析并解决存在的技术难题。最后根据考虑的技术方案确定机械手的总体结构、功能和预期完成的动作。 设计机械手各执行机构可采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。根据功能和尺寸要求匹

31、配合适的气缸，设计机械手基座、各气缸之间连接关节等装置。 气动控制系统设计包括气动回路的设计，绘出动作程序图，X-D线图，逻辑原理图，气动回路原理图。(2) 拟解决的问题解决机械手的机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济适用。具体有：气缸的计算及选型，气动控制，PLC程序的设计与编写，ADAMS建模仿真。(3) 设计要求 工件的几何形状及尺寸如图1-1；图1-1 工件的几何形状和尺寸 工件的材质是钢； 水平气缸以0.4m/s的速度做进给，行程为200mm，缓冲长度为20mm； 垂直气缸以0.5mm/s的速度作上升、下降动作，行程为300mm，缓冲长度为20mm； 抓手夹紧、松开工件的时间

32、都是0.5s； 抓手与工件之间的摩擦系数为u=0.65。第2章 气动机械手臂的总体方案及结构设计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

33、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，动强度大和操作单调频繁的生产场合。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 机械手的组成与分类2.1.1 机械手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。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示：图2-1 机械手组成方框执行机构包括手部、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在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所

34、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。传力机构型式较多时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。（2）手腕连接手部和手

35、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。（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I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，可在机座上安滚轮式行走机

36、构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布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。驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置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、机械传动。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

37、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。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。2.1.2 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

38、准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。1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的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。（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，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械

39、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，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。2按驱动方式分（1）液压传动机械手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）气压传动机械手以压缩空气的压力来驱

40、动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质气源极为方便，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，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。（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

41、进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。3按控制方式分（1）点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。（2）连续轨迹控制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。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。2.2 机械手的坐标型

42、式与自由度置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，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。2.3 机械手的主要部件及运动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3个自由度：手臂伸缩；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：（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实

43、现手爪的张合；（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩；（3）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。2.4 机械手的驱动方案设计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、反应灵敏、阻力损失和泄漏较小、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。2.5 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

44、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。2.6 机械手的技术参数列表1用途：搬运用于车间搬运2设计技术参数：（1）抓重：1Kg (夹持式手部)（2）自由度数：3个自由度（3）座标型式：圆柱座标（4）最大工作半径：335 mm（5）机身最大中心高：615 mm（6）主要运动参数：手臂伸缩行程：200mm 手臂伸缩速度：200mm/s机身升降行程：300mm 机身升降速度：100mm/s机身回转范围：0- 180 机身回转速度：60/s（7）手指夹持范围：棒料：80160mm （8）定位方式：行程开关或可调机械挡块等（9）定位精度：士0

45、.5mm（10）缓冲方式：液压缓冲器（11）驱动方式：气压传动（12）控制方式：点位程序控制(采用PLC)2.7 气动机械手的总体方案气动机械手要模拟人手的部分动作，按预先给定的程序、轨迹和工艺要求实现自动抓取、搬运，完成工件的上料或卸料。这些动作归结起来可分解成以下几个基本动作：（1）水平方向手臂的伸缩移动；（2）垂直方向高度的上升、下降移动；（3）绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动；（4）手指的夹紧，放松。能实现以上四个基本动作的气动机械手结构示意图如图2-2：图2-2 气动机械手框架图系统共有四个气缸，从下到上，从左到右依次是：旋转气缸，该气缸是立柱的回转缸，他实际上是个组合气缸，是由两个

46、气缸的组合中间以齿轮条杠连接两缸的活塞，然后再主立轴的下端套上一个直齿圆柱齿轮，与气缸齿轮条杠啮合，把活塞的直线运动改变成立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转。左上的伸缩气缸是机械手手臂的伸缩缸，用以实现手臂的伸长与缩回。右上的升降气缸是机械手升降缸，用以实现机械手的上升与下降。夹紧气缸，机械手抓的夹紧与放松，用以实现机械手的手爪取放物件。水平方向的伸缩移动B垂直方向的上升、下降移动都可选择普通型单活塞杆双作用气缸或无杆气缸，但是考虑到无杆气缸能够节省安装空间，又适合于小缸径长行程的场合，定位精度高，于是在本方案里选用无杆气缸C绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动可选择齿轮齿条缸或摆动气缸，但摆动气

47、缸一般是用作气动机械手的手臂，在其上连接气动手指，而本方案的回转运动是立柱的回转运动，考虑到齿轮齿条缸定位精度较高，结构简单，于是选用齿轮齿条缸D手指的夹紧，放松可选择平行手指气缸，摆动手指气缸，旋转手指气缸，三点手指气缸和真空吸盘。手指的选择，是没有严格规定的，一般是根据具体工况条件而定。对于平板的抓取，通常较多使用真空吸盘，而对于方形、圆形的物体，通常使用手指气缸来完成。考虑到工件的形状是圆柱体，宜采用手指气缸，手指气缸里平行手指气缸结构简单，功能明确，两个手指夹持圆柱形工件的两个端面，接触面积大，抓取稳定，于是采用两手指的阔形气动手指气缸。表2-1 执行元件表方案所要实现的功能初选执行元件类型水平方向的伸缩移动无杆气缸垂直方向的上升、下降移动无杆气缸绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动齿轮齿条缸手指的夹紧，放松平行手指气缸由以上初选的执行元件类型，组成总体的方案图如图2-3：图2-3 总体结构图2.8 本章小结本章主要叙述对手的设计和研究，其中包括：组成与分类、坐标式和自由度、驱动和控制的设计方案的设计和气动装置的选型及设计方案，为后续设计手部分奠定了基础。第3章 气动机械手的结构设计与校核3.1 机械手手部的设计