基于PLC控制四自由度气动式机械手设计【机+电】（全套含CAD图纸）
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, . 6201, 620112, (2006)02776/$15 6201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 3200 320000025006201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 6201 6201126201 62011235 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 4035 36 37 38 39 40 - 5 36 37 38 39 40 - 35 36 37 38 39 4036 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 406201 620112it is to be be of to at to a to a be WM to be an WM is a to an up to on 0 is an of , to a a be to a on 00 is in it is a a a be of of a be of a as it is WM be in of be 7. 8. on of WM 1 G. A. . M. 1995 3991995. 2 J. E. . T. of 5422, 1, 1352004. 3 D. W. 2000. 4 R. M. in 9, 2, 531990. 5 M. 1986. 6 K. J. N. . 2005 34532005. 7 H. 2005 34592005. 8 1989. 6201 620112-12附件 1：外文资料翻译译文 独立 动力 单臂机器人 摘要： 本文介绍了独立动力的平面单臂机器人的构思和初步结果。机器人二个自由度由液压油驱动，一个臂控制。它运用的是液压反推装置，一种能精确的提供高压，工作台面宽度一般并且阻抗力很小的控力装置。这些装置安装在机器人的身体部位，用电缆将能量传送到臀部和腿的关节处。液压发动机驱动着一个排量恒定的给蓄电池增压的泵。因为用的是线性译码器，每个反推装置的绝对位置和弹簧的压缩都可测量的。弹簧压缩量转化为输出力，利用软件使用循环算法把控制力与需要的力相比。输出信号的每个力控 制器驱动着高性能的伺服阀门，控制着液体流向执行机构的活塞。 在设计机器人过程中，我们用了以模拟为基础的重复多次的设计方法。初步概算的机器人的物理参数是基于以往的经验并且形体上更逼真的机器人的仿真模型。其次，控制算法模拟出它在平面上的跳跃。从模拟中的关节的能源要求和移动范围，我们再反推出需要的滑轮的直径，活塞的直径，行程，液压，伺服阀门的流量和带宽，齿轮泵的额定流量和发动机功率。符合或超过技术要求的零件被选出来集成到机器人里去，运用 件，我们计算出设计的机器人的物理参数，将它们代替先开始用 算出来 的数据，然后生产出新的能源要求的连接器。我们不断重复这些工作，最终得到了设计中的提到的已校正过的原型。 一般来说，除去体外的泵产生的力，在惯性作用下，机器人以大约 在试验台上，最终试验的电力系统数据加载到机器人实体上去。当除去电力系统所产生的惯性力以后，机器人普遍以大约 s 的速度运转。目前进行的工作是把电力系统集中到机器人本身，总结出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。 1. 介绍 实用机械手因为动力平衡要求，复杂的设计和动力系统等原因正在接受挑战。为了研究动力自主机械手，我们 开发了一个高压液压系统驱动的双缸发动机提供动力的动力自主机器人。这种机器人是一个平面机器人，由一个半径 12 英尺的构架限制表面范围。它有 2个自由度，一个导杆和曲柄。液压执行装置固定在机身上，通过链条传递到导杆和曲柄。 单臂机器人被设计为一个适合多样性技术的测试平台，它包括： 液压弹性串联执行装置 液压执行装置要考虑到高准确性 , 适度带宽压力控制，一些机器人利用弹性串联执行装置 ,而单臂机器人是第一台应用液压型执行装置的机器人 。 虚拟转动弹簧 转动的支架定位经常仿造在弹簧上 , 它表示转动效率取决于肌肉组织和筋（见参考文献 4）。为了加快效率和简化控制，大多数机器人利用的是一个物理支管弹簧（见参考文献 5。单臂机器人是一个决定在转动机器人中是否能用虚拟弹簧替代实体弹簧的测试平台。 当单臂机器人完成试用，我们将模拟一个使用可控制的虚拟支撑弹簧。 弹性串联执行装置的特性 如果在实体弹簧中没有得到效率补偿，机器人灵活的保持控制 , 弹簧弹回完全支配合成力。 高密度，移动性，液压动力系统 为了使机器手臂更实用，必须要研制高动力和高能量系统。燃油驱动液压系统是一个使人感兴趣的选择。然而，现在缺少轻便的解决方 法，而且专家这方面的知识比腿部机器人的知识更加集中。单臂机器人是可以成为一个能给与其他机器人提供液压发动机动力系统的发展项目和测试平台 。 在机器人的设计中 , 我们反复利用了个仿真设计程序。 我们以各种不同的速度 和 不同的总数块运行了机械手 ， 现实模拟而且 得到 了 物理参数和 联合转力矩 、速度、和运动范围要求。 使用这些 功率的联合器 ,我们能够计算 出 系统的压力和流程需求 ，而且可以 选 出一些符合那些规格部件来 。然后 在 把 这些 部件 连同机械手结构一起 做成模型，得到的 新 的机械性能 被 加载到模型里进行 模拟。 重复 这一个 程序，直到原型设计成份选择 出来 。 为了确定单臂机器人的电力需求，我们用 模拟实验中，我们假设弹力腿部的回弹力为 0。这是一个非常保守的设定，因为记载数据显示奔跑的动物和几乎所有移动机器人的弹力腿部的回弹力都很大。我们打算最后修改弹力腿部构造的设计。现在，先假设回弹力为 0，其一确保电力系统超过最终机器人所需的要求，其二因为弹力腿部是比较难模拟的，我们要准确的确定它提供哪种电力储备系统。 我们总结了模拟 机器人以 1），算法类似于 见参考文献 5）的三工位计算，但是稍做了修改。工步通过控制垂直方向的上下速度进行控制，而不是通过底部的弹簧片组的压缩得到。因为单臂机器人的腿部弹簧是假设的，并且臀部和膝盖的力是任意假设给定的，所以这完全有可能。相对来说，大多数可移动机器人的腿部弹簧是真的并且规定了相应的跳跃。 如果真实的速度比需要 达到 的速度更少，除了经过脚安置控制向前的速度之外， 需要 增加一个速度控制机 延迟推进 。 我们在各种不同的身体块 中做 模拟 以完善 机械手的设计 。 到目 前为止 ，当 轻量级 (94 磅 ) 模拟 速度为 重量级的 模拟 速度只有 s。 图 1表示 的是 94 磅 重的机器人 在 速度是 3.5 m/s 时 模拟赛跑的一个 截图 。 在运动中，联合关节处的转力矩、速度和力量在一个完全的周期期间改变。 表 1显示了 模拟奔跑 时 运动的转力矩、速度、力量和范围的最大 值 。 液压 系统 的组成部分按照 联合关节处 的力量数 据来选择 。 表 1 模拟联合 关节处以 最大速 度运动时的 力量 要求 最大臀部转力矩 360 66 大膝转力矩 360 63 大臀部速度 24 24 大膝速度 28 64 大臀部力 4450 W P 最大膝力 4205 W P 最大 总 力 6025 W P 平均力 1550 W P 最大臀部旋转 7.3 大膝旋转 3.7 在设计液压系统前，我们对于单臂机器人的总体结构做一些设想。 图 1 43公斤 (94磅 )单臂机器人 以 3.5 m/像 动画 图像间隔 从 右向 左 运动 。 1) 假设动力元件牢牢的装在机器人的身体部位并且用电缆 和滑轮机构和关节处连接好。通过放置在机器人身体上的动力元件（正如直接安置在机器人腿上的反推装置），可以将机器人腿的质量减到最小，并可以使它达到很快的运动速度。 2) 假设动力元件是线性的，而不是螺旋的。液压直活塞相比螺旋液压活塞更容易运用，更便宜更轻。此外，用螺旋液压活塞很难执行连续的弹性冲击。这是因为相对于压缩弹簧，扭弹簧性能很差，并且生产扭弹簧的过程很复杂。 图 2表示的是单臂机器人的液压循环图。红线表示的高压供应路线，蓝线表示的低压返回路线。恒量泵由发动机驱动，给油箱外的低压油增压并使它们冲过各种障 碍。如果流进去，液体正常的通过一个节流阀，在这对蓄电池加压。电脑控制着的电磁阀可以间隔的通过一个油液冷却器阻止液体回流到油箱。 当积聚 的力 已经达成被需要的最大值如一个压力感应器所测量的压力 的 时候， 运用并联电路 。高压力液体被储存在 油箱 中，直到二个伺服 阀门 之 中任意一个启动 。如果压力在积聚者中变成太高 ,一个压力减轻 阀门 将会交替地把图 2 单臂机器人的液压系统设计图 液压油 转移回到 油 库。伺服 阀门 控制每个活塞的压力和流 量 。 如活塞被循环 ,回返 液体 经过油冷却器被送回到 油 库 ,如此完成周期。 压成分选择 液压 的系统 配置 相当标准 。 困难 在于在没有设计说明 书的情况下挑选出符合单臂机器人力量要求的组成部件，还要留下余量。 图 3 是成份选择程序的 示意图 。 和活塞直径 我们从模拟 中 为单脚架 估算 了运动的联合转力矩、速度和范围 。 力量经过 绕过 滑 轮 的钢电缆被传送到关节，而且这些钢的电缆 由液压 活塞 驱动 。在选择活塞和滑 轮 直径方面，假定操作压力 为 3000是一个广泛承认的 超高压 标准。 当 压力 超过 3000 ， 设备变成非常重 而且 贵。 考虑滑轮直径的同时，还必须考虑电缆寿命。非常小的皮带轮对钢索会产生显著的弯曲应力，从而使电缆寿命退化。按照 电缆制造业 情况 ，滑 轮 直径应该是大约包 围 在它周围的 电缆的直径 的 25 倍。 我们初步选择了一个直径 为 寸 的 电缆，因为它的断裂强度（ 2000 磅） 差不多达到设计 要求。 根据 制造业者的 25X 因素 ,我们 得到了 一个直径 为图 3 成分选择过程示意图 的滑 轮。取整 数 ,使用一个直径 为 的 滑 轮 。 用这 个 带轮直径和 3000算出扭矩 为 266 英尺 件下的活塞直径 是 寸 。 保守起见 ，选择了活塞直径为 寸。注意驱动力（ 指电缆 力）为 寸直径的活塞是 1324 磅，少于额定强度电缆 2000 磅。汽缸直径为 寸，模拟产生的最大压力和流速如表 2所示。 表 2 活塞 直径 为 带轮直径为 大压力 值 和流量 最大臀部主动器压力 000 大膝主动器压力 000 大值髋舵机流速 m3/s 24.5 s) 最大值膝动器流速 m3/s 23.8 s) 最大总动器流速 m3/s 39.0 s) 平均流速 m3/s 12.1 s) 在 圆筒和滑 轮 直径选择 方面， 我们用了模拟模型为 单臂机器人 结束产生压力和流程需求而且延长时间的时期。 从这个压力和流量 的 数据 中 抽取了平均流量 、 洪峰流 量和 压降。这方面的资料，用来选择主要系统组件 ， 包括伺服阀 、 散热器 、 蓄能器 、 齿轮泵 等 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 摘 要 随着科技的发展，机械手在工业领域得到越来越广泛的运用，它可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动，大大提高生产效率。 本课题对机械手的手爪、手腕、手臂、腰部和机座部分进行了设计，确定机械手采用圆柱坐标式。手爪的张合，手臂和腰部的伸缩，机座和手腕的旋转都采用气缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上，完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成，按照机械手的动作流程，完成了相应的接线图和程序编制。 关键词： 机械手，工业领域，气缸，可编程序控制器购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 of in it to In I of of by be to to by to 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 1 绪论 . 1 械手的概述 . 1 械手的发展史 . 1 动技术及气动机械手的发展过程 . 2 械手未来的发展趋势 . 3 课题研究内容 . 4 题研究的意义 . 4 2 机械手的总体设计方案 . 6 械手的工作原理及系统组成 . 6 械手基本形式的选择 . 7 动机构的选择 . 8 械手详细设计参数 . 8 章小结 . 8 3 机械手手部结构设计及计算 . 9 部结构 . 9 械手手爪设计计算 . 9 紧气缸的设计 . 11 爪夹持范围计算 . 13 械手手爪夹持精度的分析计算 . 14 簧的设计计算 . 15 章小结 . 17 4 腕部的设计计算 . 18 部设计的基本要求 . 18 部的结构以及选择 . 18 部的驱动力矩计算 . 19 部工作压力的计算 . 20 压缸盖螺钉的计算 . 21 片和输出轴间的连接螺钉 . 22 章小结 . 23 5 机械手手臂 机构的设计 . 24 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 臂的设计要求 . 24 缩气压缸的设计 . 24 向装置 . 28 章小结 . 28 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 . 29 构设计 . 29 制手臂上下移动的腰部气缸的设计 . 29 向装置 . 32 衡装置 . 32 身回转机构的计算 . 32 章小结 . 33 7 机械手的 制系统设计 . 34 压传动系统工作原理图 . 34 编程序控制器的选择及工作过程 . 35 编程序控制器的使用步骤 . 35 械手可编程序控制器控制方案 . 36 章小结 . 46 8 结论 . 47 参考文献 . 48 致谢 . 49 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 基于 制四自由度气动式机械手 1 1 绪论 计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空船、宇宙飞船、下至微型机器人、深海开发，机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展，科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用 1。 械手的概述 机械手也被称为自 动手，能模仿人手和臂 部 的某些动作功能， 可 以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓 取 工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运 动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 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。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件 2。 械手的发展史 机械手 首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 械手。商名为 万能自动）。运动系统仿 照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种 机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 工业机械手，装有小型 电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国机械制造业是从1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业 机械手 大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧 研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 的重要一环。 动技术及气动机械手的发展过程 气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 大约开始于 1776 年， 明能产生 1 个大气压左右压力的空气压缩机。 1880 年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20 世纪 30 年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50 年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。 60 年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在 70 年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。 80 年代进入气动集成化、微型化的时代。 90 年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸 局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。 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，现代传购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 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 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、 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。 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。 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 3。 械手未来的发展趋势 （ 1） 重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精 确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 （ 2） 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电 接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型 岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械 手中的移动模块。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 （ 3） 无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 （ 4） 机电气一体化 由“可编程序控制器 气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制 ”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。 而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而 输出功率在增大，由 接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开 阀岛技术的发展，又使 气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。 总之， 随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品 加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。 在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用 3。 课题研究内容 研究内容是设计一个由 制的四自由度气动式机械手，机械手能完成手爪夹紧、放松，手腕旋转，手臂伸缩，腰部的上升下降和机座的旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。 并且根据课题， 设计出机械手的气路系统，包括元器件的选取和回路的设计，画出气路原理图。 机械手控制部分由 成，通过设计要完成 选型、 外部接线图以及根据机械手的流程图编写出 形图。 题研究的意义 伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了 ,机械手是机械手系统中传统购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。 如蛇形机械手的出现，帮助人类完成了许 多危险区域的任务 4。 其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；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；广泛的应用机械手，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实 现工业生产机械化和自动化的步伐 5。 巴雷特机械手就是其中的典型代表， 一个在运行中能调整自己适应环境并安全的变成各种各样形状的一个智能化、高度灵活的八轴夹持器 6。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 2 机械手的总体设计方案 械手的工作原理及系统组成 机械手的工作原理：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。在 序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作 7。 （ 1）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。 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。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构的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。 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。 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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 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。 （ 2）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、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。 （ 3）控制系统 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 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。该机械手采用的是序控制系统，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。 （ 4）位置检测装置 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 8。 械手基本形式的选择 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 : a 直角坐标型机械手； b 圆柱坐标型机械手； c 球坐标 (极坐标 )型机械手； d 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，容易实现 7。因此，本设计采用圆柱坐标型。 图 2机械手 外观轮廓图 。 图 2械手外观轮廓图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 动机构的选择 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 , 机械手的驱动方式共有三种方式：气动方式 ,液 压方式 ,电驱动方式 9。 （ 1）气动方式：成本低 ,出力小 ,噪声大 ,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属于简单非伺服型。 （ 2）液压方式： 功率重量比大 ,低速平稳 ,需液压动力源 ,漏油和油性变化会影响系统 ,各轴耦合较强 ,成本较高。可用于易爆的环境。 （ 3）电驱动方式： 功率小 ,开环控制 ,控制简单 ,可能失步。 调速性能好 ,功率较大 ,效率较高 ,但换向器需维护 ,不易用于易爆 ,多粉尘的环境。 维护简单 ,使用环境不受限制 ,成本较低 ,调速性差。 根据课题要求确定圆柱坐标型 机械手，利用双作用气缸驱动实现手臂上下运动；双作用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气压缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动实现。 械手详细设计参数 机械手的设计参数如下所示： 机械手（重复）定位精度： 机械手最大抓重： 1 工件尺寸：直径约 2 3柱形，材料是铁质； 支座旋转角度为： 90 度（最大速度： 90 度每秒）； 物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度： 30 度（最大转度： 30 度每秒）； Y 轴大臂上下移动距离为： 20大 速度 10cm/s）； Y 轴小臂上下移动距离为： 10大速度 10cm/s）； X 轴小臂伸缩距离： 10最大速度 10cm/s）； 手指开合角度为： 60 度（最大速度 60 度每秒），手爪旋转角度为 180 度； 料槽小臂（推动工件的推杆）伸缩距离为： 15大速度 10cm/s）。 章小结 本章主要讲述了机械手的工作原理和系统组成，并且简要介绍了执行部分。机械手动作形态采用圆柱坐标式，四自由度的运动执行均由气缸驱动完成。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 3 机械手手部结构设计及计算 部结构 四自由度气动机械手采用夹持 式手部结构，由手爪和传力机构所组成。其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型 10，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。 执行器的要求 （ 1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。 （ 2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端 执行器 10。 爪的分类和选取 工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。 回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。这个偏移量称为夹持误差。 平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。 当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的 回转型夹持器。 10 结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为 60 度，且能够抓取重约 1圆柱形铁质工件。所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。 械手手爪设计计算 爪的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图 3常见的滑槽杠杆式手部结构。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 图 3槽杠杆式手部结构、受力分析 1 手指 2 销轴 3 杠杆 22 a （ 3 式中： 驱动力； 夹紧力； a 手指的回转支点到对称中心的距离； b 手指长度； 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知 ，当驱动力 角增大，则夹紧力 随之增大，但 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 030 040 。 紧力及驱动力 的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 （ 1）手指对工件的夹紧力可按公式计算： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 s 2 （ 3 式中 : K 安全系数，通常 轴向力； a V 形手抓的开合角； 工件和手抓间的摩擦系数； 计算：设 a=10mm,b=30 = 035 ，求夹紧力 驱动力 设 K=1.5，x ， 据公式，将已知条件带入得： 2 . 5 1 9 . 8 s i n 6 03 5 . 3 6 4 00 . 6 N （ 2）根据驱动力公式得： 2 2p2 b c o s 4 0 2 3 0 c o s 3 51 6 1 . 0 4a 1 0 由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内， 。 （ 3）取 p 1 6 1 . 0 41 7 8 . 9 1 8 00 . 9 实（ 3 紧气缸的设计 要尺寸的确定 （ 1）气缸工作压力的确定 由表 3气缸工作压力 0 P a 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 表 3压负载常用的工作压力 负载 F/N 50000 工作压力 p/7 （ 2）气缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 可由下式推算出气压缸的内径 D： 224F D d p实 际（ 3 624 4 1 8 0 0 . 0 2 7 60 . 4 1 0 0 . 7 51 0 . 5FD p 实 际预设活塞杆直径 d=缸工作压力 P=据机械设计手册气压传动分册 取气压缸内径为： D=32 可以得出活塞杆内径为 : d=2 6取 d=14 （ 3）缸筒壁厚和外径的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 : / 2 （ 3 式中， 缸筒壁厚， ( D 气缸内径， ( 气缸试验压力，一般取 p 气缸工作压力 （ ； 缸筒材料许用应力（ 本设计手爪夹紧气缸缸筒材料采用为 :铝合金 =3入己知数据，则壁厚为 : / 2 3 6 63 2 1 0 1 . 5 0 . 4 1 0 / ( 2 3 1 0 )2 . 4 ( ) 取 3 ，则缸筒外径为 : 1 3 2 3 2 3 8 ( )D m m （ 4）手部活塞杆行程长 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 活塞杆的位移量 S 可推得： S 1 0 t g 3 5 1 0 t g 5 6 . 1 2 7 （ 3 气缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 0 的行程余量 11。 6 . 1 2 0 2 6 . 1l m m （ 3 故气压传动手册圆整为 27l 。 （ 5）手爪部分总质量估算： 手 爪 气 缸 零 件（ 3 其中：手爪部分和活塞杆材料采用 45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 相关手册可得， 45号钢密度为 337 1 0 k g /m ； 密度为 332 1 0 k g /m 。 手爪部分总质量约为 ： m 0 . 0 3 1 4 1 . 2 1 2 . 2 3 1 4 k g 爪夹持范围计算 为了保证手爪张开角为 060 ，活塞杆运动长度为 27 （ a）手爪最小夹持半径 （ b）手爪最大夹持半径 图 3爪张开示意图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 手爪夹持范围的计算，手指长 30手抓没有张开角的时候
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