摘要
机器人是近三十多年来迅速发展起来的应用技术。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程，自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要方面。
本文主要介绍了工业机器人的概念，工业机器人的组成和分类，及国内外的发展状况的概况，工业机器人的自由度和坐标形式，气动技术的特点，PLC控制的特点。
本文对机械手进行了总体方案的设计，确定了机械手的四个自由度和圆柱坐标形式。同时，分别设计了机械手的夹钳式手部结构以及吸附式手部结构；设计了机械手的手腕结构，计算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，包括手臂伸缩、升降以及回转气缸的设计。
设计了机械手的气动传动系统，绘制了机械手的气动系统工作原理图。利用了FX系列可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选取合适的PLC型号，说明了电气控制系统的硬件部分设计, 控制软件部分设计以及手动和自动控制程序设计。
关键词：工业机器人，机械手，气动系统，可编程序控制器(PLC)
ABSTRACT
Robots are nearly thirty years of application technology developed rapidly. It focuses on the mechanical engineering, electrical engineering, computer science, engineering, and automatic control of artificial intelligence, the latest research results of the electromechanical integration represents the highest achievement is contemporary, the development of science and technology is one of the most active areas in China, and also high technology development track international technology is the important aspect.
This paper introduces the concept of industrial robots, composition and classification of industrial robots at home and abroad, and the development situation of the industrial robot, freedom and coordinates, pneumatic technology characteristics and PLC control characteristic.
Based on the overall scheme of the manipulator, determines the design of manipulator cylindrical coordinates with four degrees. At the same time, the design of manipulator respectively clamp type structure and adsorption structure, The design of the manipulator, the structure of the wrist of wrist curls driving torque and rotary cylinder driving moment, The design of manipulator arm structure, including arms and rotary cylinder and expansion of the design.
Design a robot manipulator, pneumatic system of pneumatic system principle diagram. Using the FX series programmable logic controller (PLC) of manipulator, proper control of PLC model, this paper discusses the hardware design of electric control system and the software structure and manual control procedures and automatic control program design.
Key words：industrial robot, manipulator, the pneumatic system, PLC
目 录
1 绪论------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1 机械手的概述-----------------------------------------------------------------------------------------------1
1.2 机械手的分类和组成----------------------------------------------------------------------------1
1.3 机械手国内外研究现状-------------------------------------------------------------------------6
1.4 课题的来源、主要目的-------------------------------------------------------------------------8
2 机械手的总体设计---------------------------------------------------------------------9
2.1 机械手的坐标类型选定和自由度的选取----------------------------------------------------9
2.2 机械手的手部结构方案设计-------------------------------------------------------------------9
2.3 机械手的手腕结构方案设计-----------------------------------------------------------------10
2.4 机械手的手臂结构方案设计-----------------------------------------------------------------10
2.5 机械手的驱动方案设计-----------------------------------------------------------------------10
2.6 机械手的控制方案设计-----------------------------------------------------------------------10
2.7 机械手的设计参数-----------------------------------------------------------------------------10
3 机械手的机械系统设计--------------------------------------------------------------------------------12
3.1 机械手的运动概述-----------------------------------------------------------------------------12
3.2 机械手的运动过程分析-----------------------------------------------------------------------12
4 机械手的手部结构设计-------------------------------------------------------------14
4.1 手指的形状和分类-----------------------------------------------------------------------------14
4.2 设计时考虑的几个问题-----------------------------------------------------------------------14
4.3 手部夹紧气缸的设计--------------------------------------------------------------------------15
4.4 气压式吸盘的设计-----------------------------------------------------------------------------22
5 机械手的手腕结构设计-------------------------------------------------------------24
5.1 手腕的自由度----------------------------------------------------------------------------------24
5.2 手腕的驱动力矩的计算----------------------------------------------------------------------24
5.3 手腕驱动力矩的校核-------------------------------------------------------------------------28
5.4 缸筒壁厚的设计-------------------------------------------------------------------------------28
5.5 耗气量的计算----------------------------------------------------------------------------------28
5.6 气缸进排口的计算----------------------------------------------------------------------------29
5.7 缸筒与缸盖的连接形式设计----------------------------------------------------------------29
5.8 密封形式的选择-------------------------------------------------------------------------------30
5.9 轴和轴承的校核-------------------------------------------------------------------------------30
6 机械手的手臂结构设计-------------------------------------------------------------33
6.1 手臂伸缩的结构设计及校核-----------------------------------------------------------------33
6.2 手臂升降的结构设计及校核-----------------------------------------------------------------39
6.3 手臂回转的结构设计及校核-----------------------------------------------------------------44
7 气动传动系统设计-------------------------------------------------------------------48
7.1 气压传动系统的工作原理图-----------------------------------------------------------------48
8 机械手的PLC控制设计------------------------------------------------------------50
8.1 可编程序控制器的选择-----------------------------------------------------------------------50
8.2 可编程序控制器的工作过程-----------------------------------------------------------------50
8.3 机械手可编程序控制器控制方案-----------------------------------------------------------51
结论-----------------------------------------------------------------------------------------66
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------67
致谢-----------------------------------------------------------------------------------------68
1 绪论
1.1 机械手的概述
机器人早期通常出现在科幻小说和动画片里面，“机器人”这词最早出现在1920年捷克作家Karel Capek写的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，主要表现为一个能够像和奴隶一样进行生活劳作的机器。在我们现实生活中，机器人不只是简单意义上能够代替人进行劳动的工具，而是综合了人和机器两者特长的拟人化的电子装置。这种装置既有人对待生存环境的快速反应判断能力，又有机器能够长时间不停进行工作、精准度高、抗恶劣环境强的能力。一定意义上来说，机器人是机器在人类发展中进化得到的产物，是制造技术领域不可缺少的自动化生产装备，是工业和非产业界重要生产设备。
机器人的定义随着时代的进步在发生着变化。机器人技术是综合了计算机、信息和传感技术、人工智能、控制论、机构学、仿生学等多种学科构成的高新科技技术，在很多领域这项研究相当活跃。所以，机器人的发展和应用是一个国家工业自动化水平的重要标志[1]。
工业机器人是用在工业生产中的机器人。20世纪20年代出现了一种附属于自动机、自动线上，能够代替人进行传递和装卸工件的机械手。到了40年代出现能够由操作者直接对其控制的半自动化操作机，到了60年代出现了可以实现多种操作且自动控制的工业机器人。工业机器人迅速发展迅速，对人的能力的模仿也越来也强，甚至已经开始出现像人一样具有自己学习和推理能力的智能机器人。通常把机械手、操作机和工业机器人统称为“工业机器人”。
我国国家标准GB/T12643-1997定义“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业” 称作工业机器人。定义“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行操作的机械装置”称作操作机[7]。
1.2 机械手的分类和组成
1.2.1 机械手的组成
工业机器人通常由三大部分六个子系统这几部分组成。三大部分是指机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是指驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境互交系统、人机互交系统和控制系统[1]。
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组成。各系统之间的关系如图1-1所示。
图1-1机械手的组成方框图
1 执行机构
主要有手部、手腕、手臂和立柱等部件，根据需要可能还增设行走机构。
(1)手部
工业机器人的手部可称作夹持器或末端执行器，是附加在机器人手腕上的专用装置--工具或手爪当需要完成规定作业任务时。手部是工业机器人直接握持工具（件）的部件，它具有人手的某些特征，且对人手的部分功能能够进行模仿。它主要实现的动作包括提、抓、弧焊焊具、自动装配用工具、喷漆用喷枪、喷水加工工具和加热喷灯等。利用不同的工具安装能够简化机械结构，减轻机械本身重量、使工作更可靠[7]。手指作为和物件直接接触的部件，手部对工件的松开和夹紧，都是通过手指的张合来实现的。
手指结构取决于被抓取工件表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面、V形面和曲面；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，按其握持工件的工作原理，可分为夹持式和吸附式。夹持式按工作部位不同，又可分为内撑式和外夹式。吸附式可分为气吸式和磁吸式[7]。
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