气动机械手设计（含全套CAD图纸和solidwork三维模型及仿真）
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e 10 +35159 +35128 is a on in in of In of is to to a on In to do a to of a of It in of of of 1 is an a in to in an to a o of to a an $ 1998 42 of l. to of on to l of to a to of as as is to is a to as as to of In a of of In in 2 he by in ) is by C i5 to or 98 - to of is by a of of of of is by to of of of . to a 2). To M) of a), B,) R) , in of as of 5) be to V). is l to v) 0) of on to , he to a of in 2. In in a to an as to of a in l a is to e) on of to is as in to to in to an In e) is on xo,yo,it is to of to e (3). of e to of is to , an &). If is it is if is of is In an a mm to or ,.+:? . he of of it it to of by . 43 he in a of of of lm 0 80 is in 4 a of 30m. U it to so it to is to e to n is to , be to ,. to ,. be to of is to as on or in of To to nd . is a 00 he as in in 96 of a ay of 1,3. =g of =0,7 to m,= 1 R=7 Q m=) m b=m v=40 Kg/s ,=s of of =O. 18 m 3 s be 2, V, d,to is is e of as by If is it be e to is in . is to be is by . n be as in 1). In it be of to a V, as a of e as be to a to it at in of as 1) be To of by v.is of 44 0 04 of is to a e. p is to in a as it is it is to by of , a p=200, in in . a AE 5.1 SE 9 mm In of of is . ,. . . . . . a p=200. to by of is to a in to a to in 6. Kp*e+Kd*of Kp d, of in p=200 200. 3 mm AE It is by of an to p d. 200 400 600 000 -0 t) . a PD p=00. ,= 3 mm AE A is is of to in to a of is in in be as a of by an to to to of or . . . . 0 200 400 600 800 1000 . a PD p=400 380. 545 be it in of is II(e). p=200, ,=it to 25 No to D of a of is of a in he be an to it is , PD ID it is to it is on by 4. In a of is 51. e) is he be on . of is a 2D in a to 1 . a D to to of a he of to a in is a in a 6. is . P is or is to e is ce is in is a p is a to on it is 0 of to up to D 0 AE 0 is As as of an to OC to as be in . 0. AE 46 to of of in to a by of a 2 8 a 7 000 it to a a as be in . 4 of of N) it is to of an A PD an is to is up to of D , is in D a a 0s 0m. a PD is or is no of to be ID is to in be D. of is to it is in by or in . to an % P D( 10 (15 7 6 8 8 7 9 7 6 9 6 of OC a to a as as of it is it is to be in of a be be in to in in . be to of OC I ., 1997. o Revi附件 1：外文资料翻译译文 比较控制策略的自主线追踪机器人 摘要 自主移动机器人是一个非常激动人心的领域 ， 特别是对那些参加电子产品课程 的 学生。作者 和 阿维罗大学 的 学生参与了一些在这一领域的活动。特别是，其中一个此类活动是 发明了能够沿着画在地板上直线运动的 机器人。为了 达到 这一效果 ， 一个模拟器已经实施并多次测试了对机器人不同控制方法的影响 。 本文 对 基于 机器人模型和线追踪模拟器 进行了一个简短的描述 。然后 在导致 绝对误差（ 积分误差平方（ ， 易微调和各自代码复杂性方面比较了几种不同 的控制方法。 比较的方 法 :成正比 、 比例微分 、 比例积分导数 、 模糊 、 表为基础的模糊 ， 自我组织唱模糊和神经网络逆模型基础。 1 导言 研发 自主机器人是一个跨学科的活动，因此有很大的教育价值。与此事实上，考虑到作者一直支持阿维罗大学学生小组参加每年一度 在法国举办 的盛事， 在法国，除了其他的任务，自主移动机器人必须沿着一条线运动。 为了更好地理解的线追踪机器人 的行为 ， 为了 显示学生 们在发明机器人时来自 物理 、 几何 、 电子 、仪表和控制集成 方面综合的科学理念， 作者建立了一个 沿线分布机器人的 分析模型。该模型考虑到一些现实世界的限制，允许 预测 以 电动机 电压为基础的 移动机器人 的运动。 另外，作者所描述的几何形状线追踪过程被用来建立一个模拟器。这 决定了某一机器人的 确定路径以及 该路径和参考路径 之间的关系。 该模拟器是一种宝贵的工具， 在之前研发机器人是能够 比较 不同的控制方法以及不同的传感器布局。这样在实际 制造过程中 可以更好地决定机器人 有关 的物理性质。 下一节本文 将对 机器人模型和模拟器 进行一个简短的描述，在 第 3节 是几种不同 控制 方 法 的 比较， 包括 比例 、 比例微分 、 比例积分微分，模糊，表为基础的模糊，模糊自我组织和神经网络逆模型基础。 在 第 4节 中将提到相关结论包 括一些对正在进行的工作的评论。 2 仿真机器人 器人模型 之前已经 提到 学生们建造 的 机器人的活动通常 很 简单 ，见 （图 1） 。 运动是通过使用两个独立的直流电电动机驱动每一个车轮。差分驱动器用于 控制 机器人。一个或两个额外的连铸机车轮用来保持机器人 的横向稳定 。 与参考路径相比较 机器人的偏差是 通过放置在机器人之前的红外光探测器测量的。 通常情况下，车轮速度 的 闭环控制已 经不再运用 。每个车轮的速度控制 间接地 采用马达电压的。此选项可能会降低性能的跟踪算法但简化了最后的调整。请记住，闭环速度控制方向盘使用将需要调整两个额外 的独立循环。图 1， 基本 机器人 。 图 1 基本机器人 这些特点已用于计算模型线追踪机器人（图 2 ） 。 为了进一步 提高 准确性 ，该模型在 惯性（质量（ M） 和转动惯量（ j ），摩擦系数（ 平移 （ 旋转（ B）运动） ， 电动马达参数（电阻（ R ）和 电机常数（ ，额外的 噪声（ 在 传感器 中读取 ）和机器人 的 物理限制，如线传感器（ 5） 的长度 和可用于电机（ 大电压 。该 模型 l描述并且计算电压应用电动机为基础的机器人的线性度（ v）和角速度（ 0)。 追踪模拟器 上文 已经 提到 机器人模型与 几何分析线追 踪 问题是相辅相成的 。这个问题属于一般路径跟踪问题 在众多文献 2中已经被解决 。 特别是， 本文呈现的该 模拟器 用 被动的方式来跟踪未知 的 线 的 方法 与之 前计划的 跟 踪路径 相反。 因此， 这是事先得知。 图 2 机器人模型 几何分析还表明，可根据目前的偏差 、 车轮速度和 机器人相对于线的 角度位置 来 计算出未来偏离线（ e）。该机器人是用来作为参考。然而，为了更好地界定参考轨迹和想象的机器人轨迹，另一种模式是建立在该机器人的位置 基础上而做出 一个绝对的参考。 在这几何模型基 中 ， 机器人 偏离线 （ e） 可根据 机器人绝对位置和车轮的速度 来计算 。 知道 机器人的位置（坐标 X,Y,Z） 是有可能计算相交的传感器阵列与线（ ， 然后可以计算出偏差 e（图 3 ） 。 由此 可以得出机 器 人位移的轨迹 图 3 线追踪几何模型 在一个无限小的时间间隔来计算机器人位移 。 如果这个区间保持足够小则是不相关的，如果直线运动是分开考虑的 ,那 角运动和其中 那 些是 要 首先考虑 的。在实验进行 时 ，这样的一个区间 里 轨迹点 以 每 5毫米计算是小到足以获得同样的轨迹 ，不管 是角或直线运动 都会 被 首先考虑 。 几何模型可以参考线组成的直线段和圆弧的周长一个接一 个 加入 。 虽然它似乎 有 限制，它允许创建几乎任何种类的轨迹顺利通过使用不同的圆弧半径。图 2 为 该机器人模型 。 考路径 该模拟是 在 由直线段与弧线交错的 围成 的弧形 90 或 180 孔一起插入纸的直片段所组成的参考路径。 这种路径 在 图 4中所描述 ，总长度约 30米 。 图 4 参考路径 器人 参数 在 5月的这一年 ， 阿维罗大 学以本文模拟为基础的 机器人 为 代表 参加在法国堡贝尔纳 的 1996 年的国际移动机器人锦标赛 。 根据 1,3的 详细资料，下面的参数 为： 重量 M = 斤 转动惯量 J = 克 马达最大可用电压 = 特 电机参数（ R= 7 欧姆 和 ） 车轮直径 车轮之间的距离 b = 线性运动摩擦系数 0kg/s 角运动摩擦系数 g. /s 类型传感器阵列 宽度传感器阵列 S=18 米 3 比较控制策略 可以 图 看出，机器人模型有两个投入 ， V 和 驱动电动机。然而，只有一个错误的信号是偏差的机器人 将通过传感器经 参考路径 传送 。如果机器人总是向前推进，可以看出，任何控制 方法 ，将减少使机器人回 到参考路径。 由于差动电压是一个确定的角运动的机器人 的 ，让它改变方向，使之收敛的路线，一个简单的可能性是使用电子邮件直接控制 为最终目的是为实现最高速度的参考路径 ， 平均电压 V， 可以设置为最大值 。 然而，实际的电压适用于马达的驱动器是有限的。反映了修正到平均收益率差电压变风量和 将真正提供给机器人模型。 此外，产出的传感器功能被损坏 和 加性噪声 。 这噪声允许这些缺陷影响线路或地板，电器干扰传感器的读数和有限精度。为了便于比较，噪音载体，保持同对所有运行从开始到终结点。 控制是数字化 ，采样周期为 100 毫秒。 完整的控制系统图 5。 那个参考输入的路径进行跟踪。错误信号是偏差宣读的传感器阵列。 图 5 完整的控制系统 在这种简单的模式控制功能可书面表达 。 在非常快的机器人 中 ， 有兴趣的也可以 使用 如，这可以用来减慢机器人，同时描述了曲线和加快沿直线部分。然而，机器人通常都建不是非常快 ， 运行不到 语。因此， 在 本文其余的简单的办法在（ 1 ）中 将被用于 。 要比较性能的每一个控制方法两项主要措施已使用的整体绝对误差（ 积分 误差平方（ ，综合沿着充分参考路径。其他两个措施也被使用时，机器人 将达到 最大绝对误差（ 和平均时速 。 例控制 最简单的形式的控制是使用比例 e 控制功能产生 。 虽然简单，这种方法提出了几个问题。 正 如这一点最 大价 值为 是很难找到（需要许多 判断 ）特别是在非线性系统 。 另外，它能够提供的相对较 少 最佳的性能，因为它无法弥补的滞后所造成的机器人惯性。 为充分参考路径图 4,使用比例控制 200 ，造成偏差情节描述见图 6。 注意典型的振荡起因于与简单的比例的方法一起获得比较 差的控制。 图 6 使用 00 控制比例 附件 2：外文原文 一、 毕业设计（论文）的内 容 内容： 设计一个气动机械手，至少有 4 个自由度，其中，必须有两个自由度为气动驱动。机械手可以完成抓物、松开等动作。 二、毕业设计（论文）的要求与数据 要求 ：在资料调查和分析的基础上，对系统进行分析和设计，具体要求如下： （ 1）绘制 气动机械手机械原理图 纸两张； （ 2） 气动机械手尺寸、大小、质量不限，所抓物品质量不限 ； （ 3） 机械手手臂、手腕、手爪等每一个动作可分别通过上位机控制 ； （ 4） 编写人机交互界面 。 三、毕业设计（论文）应完成的工作 业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必 需 包括详细的 300单词的 英文摘要； 少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）； 案设计 ，绘制出工程装配图 、 重要零件图 、 三维模型图及动态仿真； 有毕业设计的工作量要满足 16 周的工作量要求。 四、应收集的资料及主要参考文献 1 胡伟，季晓衡 程序设计及应用实例 M. 北京：人民邮电出版社，2003. 2 赵景波，王劲松，滕敦朋 . 004 电路设计从基础到实践 M. 北京：电子工业出版社， 2007. 3 赵亮 ,侯国锐 语言编程与实例 M. 北京：人民邮电出版社， 2003. 4 龚运新 语言开发技术 M华大学出版社， 2006. 5 机械设计手册编委会 . 机械设计手册新版第 4 卷 M. 北京：机械工业出版社 . 6 . 004. 7 张浩编 . 51 系列单片机实用接 口技术 M京航空航天大学出版社 ,2001. 8 051 . 1998. 9林克明 , 陈羽 , 郭从良 M. 北京：科学出版社，10 裴亚男 , 付智辉 M南交通大学出版社， 2005. 五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 1计算机一台 2三维设计软件（ 平面设计软件 (3单片机 I 编号： 桂林电子科技大学信息科技学院 毕业设计 (论文 ) 题 目： 气动 机械手 院 （系）： 机电系 专 业： 机械设计制造及自动 化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究 2015 年 5 月 1 日 摘 要 机械手是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置 ,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置 。机械手能代替人类 、重复枯燥 完成危险工作，提高劳动生产力 ,减轻人劳动强度。 该装置涵盖了 位置控制技术 可编程控制技 术 、 检测技术等 。 本课题拟开发的物料 气动机械手 可在空间抓放物体，动作灵活多样 ， 根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数 ,可代替人工在高温危 险 区 进行作业 ，。 关键词： 机械手 , 气动机械手 ， 抓取，提升 he is a in of a be to do of to up in to to it in 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 1 题背景及目的 . 1 械手的定义 . 1 动机械手概念 . 1 动机械手的组成 . 2 动机械手的应用 . 2 题研究的背景和意义 . 2 内外气动机械手的研究 . 3 动机械手的应用 . 3 第 2 章 气动机械手设计要求与方案 . 5 动机械手设计要求 . 5 本设计思路 . 5 统分析 . 5 体设计框图 . 5 动机械手的基本参数 . 6 动机械手结构设计 . 6 械手材料的选择 . 7 械臂的运动方式 . 7 动机械手驱动方式的选择 . 8 作要求分析 . 8 动机械手结构及驱动系统选型 . 9 第 3 章 系统各主要组成部分设计 . 10 持器结构设计与校核 . 10 持器种类 . 10 V 持器设计计算 . 11 持器校核 . 12 降方向设计计算 . 12 步确系统压力 . 12 降气缸计算 . 13 塞杆的计算校核 . 15 缸工作行程的确定 . 16 塞的设计 . 17 向套的设计与计算 . 17 盖和缸底的计算校核 . 18 体长度的确定 . 19 冲装置的设计 . 19 缸的选型 . 19 平方向设计计算 . 21 平方向计算 . 21 缸的选型 . 21 座回转机构设计计算 . 23 转部位负载计算校核 . 23 达的选型 . 25 身结构的设计校核 . 26 达的选择 . 26 柱的设计与校核 . 27 座的机械结构 . 28 动机械手的定位及平稳性确定 . 29 用的定位方式 . 29 响平稳性和定位精度的因素 . 29 动机械手运动的缓冲装置 . 30 第 4 章 气动驱动系统设计 . 32 部抓取缸 . 32 部摆动气动回路 . 33 臂伸缩缸气动回路 . 34 体系统图 . 35 第 5 章 上位机控制控制系统设计 . 37 统 控制算法设计 . 38 械手控制系统的硬件部分 . 40 械手控制系统的软件部分 . 41 总 结 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 44 1 第 1 章 绪论 题背景及目的 毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合 性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的： （ 1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。 （ 2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。 （ 3）检验综合素质与实践能力。 械手 的定义 目前，工业 机械手 的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合 国国际标准化组织采纳了美国 机械手 协会给工业 机械手 下的定义：工业 机械手 是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。 动机械手 概念 气动机械手 （ 自动执行工作的机器 装置 。它是高级整合 控制论 、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。在 工业 、 医学 、 农业 、 建筑业 甚至 军事 等领域中均有重要用 途。 气动机械手 是近 50 年 才迅速 发展起来的一种 有代表性的、机械和电子控制系统组成 的、自动化 程度高的 生产工具。在 生产制造 业中， 工业 气动机械手 技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。 2 动机械手 的组成 执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。 气动机械手 主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。 手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和 传动元件等组成。 时间、速度和加速度等参数。 气动机械手 与主机及其它有关装置之间的联系 3。 动机械手 的应用 按 气动机械手 布局形式分可分为：架空式 气动机械手 、附机式 气动机械手 、落地式气动机械手 三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的 气动机械手 ，他们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。 气动机械手 通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置 3。 题研究的背景和意义 由于 现代科技的发展， 无论是在工业生产中还是人类日常生活， 气动机械手 技术都得到广泛的应用。研究智能类人 气动机械手 是近年科学家一致致力于的方向。类人 气动机械手 是以人类模型的，它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来 气动机械手 管家将不是梦。 按 气动机械手 结构的不同， 气动机械手 又可以分很多种。轮式移动 气动机械手 、履带 气动机械手 、机器手、步行 气动机械手 等等。值得一提的是步行 气动机械手 ，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自 动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带 气动机械手 ，他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业，在不平的道路上如履平地，上下楼梯等等。 将来不久，这项技术会得到非常广泛应用。 在 气动机械手 研究、制作中，运用电脑对设计出来的 气动机械手 进行仿真是一项非常重要的过程。 气动机械手 仿真包含零件建模，零件装配，最后进行运动仿真。通过仿真，设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况，知道有没有出现干涉；可以清 3 楚知道各个部件的受力情况，得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。 内 外 气动机械手 的研 究 工业 气动机械手 在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时工业 气动机械手 首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候工业 气动机械手 已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。 1980 年达到一千亿日元，到 1990 年提高到六千亿日元。在 2004 年时已达到了一万八千五百亿日元。可见工业 气动机械手 在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面，各个国家已经意识到工业 气动机械手 的重要性。所以工业 气动机械手的订单急速上升。在 2003 年的订单量相对于 2002 年增长了百分之 10。此后工业 气动机械手 的需求量仍然不 断上升。从 2001 年到 2006 年全球订单增长多达 90000 多台。平均年增长为 7%。 国际 气动机械手 的发展方向 : 气动机械手 涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。 气动机械手 的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步， 气动机械手 在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对 气动机械手 的研究都往小型化发展。 气动机械手 将会更多的进入到人们的日常生活中 去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。 工业 气动机械手 的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。工业 气动机械手 的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。 动机械手 的应用 气动机械手 产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，气动机械手 产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界 气动机械手 产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代， 气动机械手 产品发 展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004 年创记录达到百分之二十。在亚洲 气动机械手 需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历 40 多年的发展，工业 气动机械手 应用到很多领域中去了。 气动机械手 在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆 4 垛毛、坯制造 (冲压、压铸、锻造等 )等等作业中， 气动机械手 替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。 5 第 2 章 气动机械手 设计要求与方案 动机械手 设计要求 1、根据要求设计 气动机械手 设计整套图纸； 2、机械手能实现伸 缩 手 300升降功能 500 3、机械手能实现转向 90 度和定位功能； 4、机械手能实现抓紧和松开功能。 本设计思路 统分析 机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作： (1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。 (2) 分析机械手所在的系统工作环境。 (3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作 速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、 气动 物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。 对此，我进行如下分析： (1) 本设计课题为物料 气动机械手 设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料气动机械手 。 (2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料 气动机械手 ，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂， 要求精度高，容错率低，速度快。 体设计框图 6 人 机 交 互 系 统( 系 统 软 件 、 编程 语 言 系 统 )控 制 器 及控 制 算 法控 制 系 统驱 动 系统 ( 各 驱动 器 )机 械 系 统 ( 机身 、 臂 部 、手 腕 、 手 爪 )作 业 对 象内 部 传 感 器 信 息 反 馈工 作 对 象 及 环 境 信 息 反 馈感 知 系 统图 2 总体设计框图 如图 2为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 选择， (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 动机械手 的基本参数 1. 机械手的最大 气动 物料的重 量是它的主参数。本论文物料 气动机械手 所 气动 的物料质量可设定为 1 吨 。 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料 气动机械手 的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。 械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加 。综合考虑，该物料 气动机械手 的定位精度设定为士 士1间。物料 气动机械手 的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料 气动机械手 各关节的行程和时间分配来决定。 动机械手 结构设计 根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 7 械手材料的选择 机械手 手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足 机械手 的设计和制作要求。从设计的思想出发， 机械手 手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部 件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外， 机械手 手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机械手 手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。 总之，选择 机械手 手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种 机械手 手臂常用的材料： (l)碳素结构钢和合金结 构钢等高强度钢 :这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了 45 倍、弹性模量 E 大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料 ; (2)铝、铝合金及其它轻合金材料 :其共同特点是重量轻、弹性模量 E 不大，但是材料密度小，则 E/p 之比仍可与钢材相比 ; (3) 陶瓷 :陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速 机械手 上使用的陶瓷 机械手手臂的样品 ; 从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考 虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件。 械臂的运动方式 常见的 机械手 的运动形式有五种 : 、直角坐标型极坐标型、关节型和圆柱坐标型。 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。位置 具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、 以及 气动 前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 这类机械手一般由 2 个肩关节和 1 个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。其中 ，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线， 考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难 ;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。 8 图3 常见的运动方式 动机械手 驱动方式的选择 机械手常用的驱动方式主要有 气动 驱动、 气动 驱动和 马达 驱动四种基本形式。 但与 气动 驱动相比，功率较小， 气动 驱动的能源、结构都比较简单 速度不易控制，精度不高。 马达传动能源简单，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，机构速度变化范围大，效率高，控制灵活。 气动 驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有 气动 源，而且容易发生 气 体泄漏。 起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用 气动 或者 气动 传动，就必须带有旋转 气动 或者旋转 气缸 ，相对来说结构较为复杂，不利于设计。 故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用传动的驱动方式，通过 马达 带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用气动 驱动方式。 作要求分析 动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 9 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图 动机械手 动作简易图 动机械手 结构及驱动系统选型 本课题所设计的 气动机械手 为通用型的 气动机械手 ，其中坐标系为圆 柱坐标系结构。驱动系统选用 马达 驱动和 气动 驱动， 马达 驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，气动 驱动用于手臂的伸缩和 气动机械手 的夹取和翻转 3。 10 第 3 章 系统各主要组成部分设计 持器结构 设计 与校核 持器 种类 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮 旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动 采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况， 采用连杆杠杆式 手爪。 驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。 手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照 所要捆绑 的重物最大使用 的钢丝绳 直径为 50 a有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。 可用开闭角和手指夹紧端长度表示。 于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 11 c 力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体 积直接影响整个 气动机械手 的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。 手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d 手指应有一定的强度和刚度 因此送料， 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， 夹紧 气动机械手 ，根据工件的形状，松开时，用单作用式 气缸 。此种结构较为简单，制造方便。 气缸 右腔停止进时， 气缸 右腔进时松开工件。 持器设计计算 手爪要能抓起工件必须满足： 21 （ 3 式中， N 1k 通常取 ； 2k 载 系数， 主要考虑惯性力的影响可按 12 估算， a 为机械手在搬运工件过程的加速度 2/ 2/8.9 ， g 为重力加速度； 3表选取 13 k； G 10 带入数据，计算得： 2000 ； 理论驱动力的计算 ： 12 3 式中， p b 紧力至回转支点的垂直距离 ； R 形齿轮分度圆半径 ； N 指夹紧力 ； 动 机构的 效率，此处选为 其他同上。带入数据，计算得 377 12 计算驱动力计算公式为： 1（ 3 式中， 1处选 4k 处选 而 气缸 的工作驱动力是由缸内压提供的，故有 （ 3 式中， P A 选取缸内径为 50 夹持器 校核 活塞杆直径 查 气动 传动与控制手册 根据杆径比 d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取 d/D=活塞杆受压时，一般选取 d/D=设计选择 d/D=d=35 = 2 6 2 2x 1 1 0 ( 3 5 1 0 )44P d X X X X =9616N 377N 计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。 经计算，所需的压约为 ： 1(后续章节进行介绍 ) 降方向 设计计算 步确 系统压力 表 3负载选择工作压力 1 负载 / 0 工作压力/满足最低速度的要求。 4 490 （ 4 式中 许用应力； M P b （ 的抗拉强度为375 400位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中） 3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动 马达 机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应 气缸 的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。 活塞杆的密封形式有 Y 形密 封圈、 6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/取。方便设计和维护，本方案选择 O 型密封圈。 缸 工作行程的确定 气缸 工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4气缸 活塞行程参数优先次序按表 4a、 b、 表 4a） 气缸 行程 系列（ 3496 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表 4b） 气缸 行程 系列 （ 3496 17 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 220
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