　　 Now, with industrial technology develops several decades, robots industrial production is in a wide range of applications, it can replace workers for doing various acyclic monotonically, risk, and high fatigue strength work, so as to improve the work efficiency and quality and to reduce the production operation of security lapses.

　　　Manipulator is mainly consisted of hand and movement mechanism. The hand is used to catch work-piece or tool parts, according to the shape of the workpiece is caught, size, weight, materials and operational requirement a variety of structure. Manipulator accessories movement mechanism, make hand finish all kinds of rotating, mobile or composite motion to achieve the specified action, change the position of the object caught with gesture.

　　　This paper introduces the structure of the crankshaft carrying manipulator, and discusses the design of the manipulator hand grasp, arm, airframe etc., the main components of the design and selection, and gives the necessary parameters and calculation.

　　　Finally through this design, we consolidate and application the knowledge of university, and improve the ability about ion of the hand and the brain coordination.　

Key words: manipulator; the hydraulic pressure drive; hydraulic cylinder；PLC

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 机械手的概念1

1.2 机械手的简史1

1.3 机械手的组成2

1.3.1 执行机构2

1.3.2 驱动机构2

1.3.3 控制机构2

1.4 机械手的生产应用简述2

第2章机械手的设计4

2.1 机械手的总体设计4

2.1.1 机械手的总体结构类型4

2.1.2 机械手的总体设计5

2.2 机械手的手部设计5

2.2.1 手部概述5

2.2.2 手部的设计方案6

2.3 机械手的手臂设计7

2.3.1 手臂概述7

2.3.2 手臂的设计8

2.4 机械手的驱动系统设计9

2.4.1 驱动系统概述9

2.4.2 驱动系统的选择原则9

2.4.3 机器人液压驱动系统10

2.4.4 驱动系统的设计方案10

第3章液压系统设计与计算11

3.1 确定液压系统基本方案11

3.2 拟定液压执行元件运动控制回路12

3.3 液压源系统的设计12

3.4 绘制液压系统图12

3.5 确定液压系统的主要参数13

3.6 选择液压元件17

3.7 液压系统性能的验算18

第4章机械手控制系统的设计19

4.1 机械手控制系统硬件设计19

4.2 机械手的作业流程19

4.3 机械手操作面板布置20

4.4 控制器的选型20

4.5 控制系统原理分析21

4.6 PLC外部接线设计22

结论23

致谢24

参考文献25

绪论

1.1 机械手的概念

　　　机械手是指用于再现人手功能的技术装置。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。

　　　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。

　　　工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

　　　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。

　　　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。

1.2 机械手的简史

　　　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。

　　　1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

　　　1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

　　　1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

　　　第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

　　　第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。

1.3 机械手的组成

机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1.3.1 执行机构

　　　执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。本设计采用二指的构造，直线液压缸。

1.3.2 驱动机构

　　　驱动机构是工业机械手的重要组成部分。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。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

1.3.3 控制机构

　　　在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.4 机械手的生产应用简述

　　　机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

　　　在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。工业机械手是为实现这些工序而产生的。目前机械手常用于工业中快速抓取工件并将工件转移到下一个生产工序。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为设计对象。

机械手的设计

2.1 机械手的总体设计

2.1.1 机械手的总体结构类型

　　　工业机械手有很多种分类方法，目前还没有统一的分类标准，比如可以按机械手的结构坐标系提点分类，或者按机械手的驱动方式分类，也可以按机械手的用途分类。在这里我们按工业机器人的结构坐标系特点来进行分类。

　　　工业机械手按结构坐标系特点可以分为直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型，关节型四种。如图2.1所示。

　　　1直角坐标型

　　　直角坐标型也称为笛卡尔坐标型或台架型。这种机器人有三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在X,Y,Z轴上的运动式独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此进行计算机操作控制简单；他可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；他的进度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度

　　　圆柱坐标机器人有两个滑动关节有两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置，在附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大且计算简单；直线部分可以采用液压驱动，可以输出较大的动力。

　　　3 球坐标型

　　　球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，在中心支架附近的工作范围很大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。

　　　4 关节型

　　　关节型机器人的关节全部可以旋转，类似于人的手臂，他是工业机器人中最常见的结构，工作范围较复杂。

2.1.2 机械手的总体设计

　　　在本设计中，因为设计要求搬运的工件的质量要求为20KG，且搬运直线距离为1000MM，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中只需要做直线运动,其中手臂的升降和梁的平移为两个直线运动,机械手自由度数目取为2，坐标形式选择直角坐标形式，即X轴Y轴两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2.2所示。

2.2 机械手的手部设计

2.2.1 手部概述

　　　工业机器人的手部称为末端操作器，是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具进行操作的部件，他能够模仿人手的动作，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂的前端。工业机器人发展到现在，应用范围越来越广泛，被操作的工件的形状、尺寸、重量、材料以及表面状态各不相同，所以工业机器人末端操作器是多种多样的，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有以下几种：

夹钳式取料手。

吸附式取料手。

专用操作器及转换器。

仿生多指灵巧手。

2.2.2 手部的设计方案

　　　由于本设计所搬运的是发动机曲轴，所以选用夹钳式取料手。

　　　夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在装配流水线上用的较为广泛。它一般由手指（手抓）、驱动机构、连接与支撑元件组成，工作机理类似于常用的手钳。

2.2.2.1 手指的设计方案

　　　手指是夹钳式取料手直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件是通过手指的张开与闭合实现的。机器人的手部一般有两个手指，个别有三个或多个手指，它们的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。指端的形状有V型指，平面指、尖指等。

　　　由于本设计被夹持的工件形状为圆柱体，所以选用V型指，其特点是加持平稳可靠，加持误差小。如图2.3所示。

2.2.2.2 传动机构设计

　　　传动机构是向手指传递运动和动力，以实现加紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点，分为回转型和移动型。

　　　本设计采用回转型传动结构，如图2.4所示。驱动杆与连杆由销连接，当驱动杆做直线往复运动时，则通过两岸推动两杆手指各绕其支点做回转运动，从而使手指松开或闭合。该机构的活动环节较多，所以定位精度会差一些。

参考文献

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A0-机械手装配图.gif

A2-手臂1.gif

A3-导向杆.gif

A3-固定块.gif

A3-横梁.gif

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