气动机械手设计VIP

气动机械手设计学 生：郭铁颖指导老师：陈文凯(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要：气动机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、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。本文主要进行了气动机械手的总体结构设计、气动设计和PLC控制系统。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。关键词：气动机械手；气动回路；PLC控制系统The design of pneumatic manipulatorStudent: Guo TieyingTutor: Chen Wenkai(Orient Science& Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha，410128)Abstract: Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，also can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, pneumatic design and PLC control system. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key words: pneumatic manipulator；pneumatic loop；PLC control system1 前言1.1 选题研究意义机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下1：以提高生产过程中的自动化程度：应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。可以减轻人力，并便于有节奏的生产：应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。1.2 国内外气动机械手发展简史概况现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的1。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)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（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。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、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。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从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。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序1。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1976年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1979年120多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。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（机器人）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。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环1。随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 国内气动机械手未来发展方向目前气动机械手的应用逐步扩大， 性能在不断提高，使其在技术上逐步完善，总体有扩大其在热加工行业上的应用，由于其在工业冷加工作业中比较多，而在锻、铸、焊、热处理等加工以及装配作业等方面的应用较少，应扩大在此行业上的应用；力着提高机械手的工作性能，其性能的优劣决定着其能否正常的应用于生产中；发展组合式气动机械手；研制具有“视觉”和“触觉”的智能型气动机械手2。1.4 目前国内常见的机械手主要类型目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。1.4.1 按驱动方式分类按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的几种2。（1）液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。（2）气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。（3）电动式机械手。电力驱动是目前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。由于电机速度高，通常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速机构、滚珠丝杠和多杆机构）。目前也有一些特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。其他还有采用混合驱动的机械手，如液-气混合驱动机械手或电-气混合驱动机械手。1.4.2 按用途分类机械手按用途可分为下列几种2:（1）搬运机械手;（2）喷涂机械手;（3）焊接机械手;（4）装配机械手;（5）其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手。1.4.3 按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。按这一分类要求，机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型（平面和多关节型）机械手。操作机本身的自由度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。1.4.4 按其他方法还可以分为（1）家务型机械手：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。（2）操作型机械手：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。（3）程控型机械手：按预先要求的顺序及条件，依次控制机械手的机械动作。（4）示教再现型机械手：通过引导或其它方式，先教会机械手动作，输入工作程序，机械手则自动重复进行作业。（5）数控型机械手：不必使机械手动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机械手根据示教后的信息进行作业。（6）感觉控制型机械手：利用传感器获取的信息控制机械手的动作。（7）适应控制型机械手：能适应环境的变化，控制其自身的行动。（8）学习控制型机械手：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。（9）智能机械手：以人工智能决定其行动的机械手。1.5 气动机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图1为工业机械手的组成方框图3。图1 工业机械手的组成方框图Figure1 block diagram of an industrial manipulator执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部；腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分；臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用于带动腕部做平面运动；腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的平面运动，就能使腕部做空间运动。腰部是执行结构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。该部件必须有足够的刚度和稳定性。工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置。控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部分：感知系统和分析-决策智能系统。前者主要靠硬件（各种传感器）实现;后者主要靠软件（如专家系统）实现。2 总体方案的拟定2.1 原理分析 由于本次设计的气动机械手用于自动生产线上夹持元器件或小工件进行传递的场合，本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、执行机构、驱动机构等进行了确定。因此，机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。由气动的阀产生的动力带动机械手臂的运动，完成预定的作业，包括手臂的装夹物件、手臂旋转、手臂移动、手臂卸载物件等过程。2.1.1 目的为了解决在生产过程中人力夹持物件造成的误差，并且提高效率、降低成本，实现智能化、自动化生产，故设计气动机械手。2.1.2 设计内容要求设计其技术参数为：(1) 抓重:10Kg (夹持式手部)(2) 自由度数:4个自由度(3) 标型式:圆柱座标(4) 最大工作半径:1000mm(5) 手臂最大中心高:600mm根据所给的设计参数，设计气动机械手。(1) 确定机械手总体传动方案，查阅相关资料(2) 对主要零件进行设计计算,选定各标准件(3) 绘制机械手总装图(4) 绘制部分自制零件的工程图(5) 编写设计说明书2.1.3 方案选择为了实现预定的功用，有两套方案可以实现：方案一 由3个气缸构成，完成作业。机械手采用平行夹指气缸，由气缸产生的动力松、夹物件，再由一个直线缸产生动力，沿着立柱作上下运动，而立柱固定在一个转台上，转台由一个回转缸驱动，可是其他机构共同按照设定的转角一起转动。如图2所示的示意图 图2 方案一示意图Fig2 scheme1 sketch map方案二在方案一的基础上增加两个气缸，由5个气缸组合而成，平行夹指气缸1个、双导杆气缸2个、小型气缸1个、转角气缸1个。通过平行夹指气缸产生动力夹住物件,双导杆气缸实行移动,小型气缸同样是部件在立柱上作垂直上下移动,转角气缸使整个作转角运动. 如图3所示的示意图. 图3 方案二示意图Fig3 scheme2 Sketch map2.1.4 方案的比较方案一采用的是3个气缸,相比较方案二而言,少了2个气缸,比方案二制造所用的成本少,制造较简便,然而就其使用度,以及实现的功能性而言, 方案二比方案一要精准的多,其灵活性也更好,适用于更加复杂和多样的生产线,用方案二设计出的机器更符合本次设计所要达到的效果以及用途,故选择方案二,作为本次设计的最终方案.2.2 总体结构设计2.2.1 总体结构图4 总体结构设计图 Fig4 the overall structure design（1）平行夹指气缸（2）双导杆气缸（2个） （3）小型气缸（4）转角气缸（5）底座、立柱、支撑板、连接板2.2.2 机械手的运动规划机械手运动规划包括序列规划(又可称为全局路径规划)，路径规划和轨迹规划3个部分。序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点。再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间(若插补在关节空间进行则无需转换)，形成各关节的运动轨迹3。序列规划 目前机械手序列规划方法的研究还处于发展阶段，由于各种作业任务的复杂性。至今还没有通用的序列规划算法。在使用机械手进行装配，插孔，点焊的应用中，较为普遍的方法是把序列规划问题转化为“旅行商问题”(TSP)来解决。即机械手从起始点开始，经过一系列作业点，并在各作业点停留，完成所有作业后，最终回到起始点的时间最短规划算法。路径规划 机械手路径规划的目标是在两个作业点之间生成一条无碰撞路径。机械手路径规划算法主要有4类：C-空间法，人工势力场法，假设-修正法，预处理-规划算法。碰撞检测 路径规划的目标是在起始点和目标点之间生成一条无碰撞路径，这使得碰撞检测成为解决路径规划问题的关键上面提到的4种路径规划算法都需要进行碰撞检测或需要计算机器人和障碍物之间的距离。对于机械手本次设计要求采用圆柱坐标.根据要求可知此次设计中机械手的工艺流程：机械手原位机械手下降机械手抓取并夹紧机械手上升机械手正转机械手前伸机械手下降机械手松开机械手上升机械手后退机械手逆转退至原位停止。2.2.3 机械手主要部件以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，本设计的机械手采用的是气压驱动,并且具有4个自由度：手抓张合；手臂伸缩；手臂升降；手部回转。本设计的机械手主要由3个大部分和5个气缸组成：（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。（2）臂部，采用2个双导杆气缸来实现手部的伸缩和升降。（3）机身，采用一个小型气缸和一个转角气缸来实现整个机身的升降和回转。2.3 各执行机构主要参数的初步确定2.3.1 设计技术参数(1) 抓重：10Kg (夹持式手部)(2) 自由度数：4个自由度(3) 坐标型式：圆柱坐标(4) 最大工作半径：1000mm(5) 机身最大中心高：600mm2.4 气动回路的设计和参数的计算机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作，设计的气动回路图如图5所示。图5 机械手气动回路图 Fig5 circuit diagram of mechanical pneumatic 本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生产率。3 主要部件的选择和设计3.1 机械手末端执行器的设计3.1.1 平行夹指气缸的设计末端执行器是装在机械手臂的末端处，用于机械手完成作业任务而专门设计的装置。末端执行器种类繁多，与机械手的用途密切相关，根据其用途，末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等种类。在设计机械手末端执行器时，应注意以下问题4；（1）机械手末端执行器是根据机械手作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机械手新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机械手末端执行器，将不断的扩大机械手的应用领域。（2）机械手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。因此，要求机械手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。（3）机械手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机械手末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机械手多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。（4）通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。（5）机械手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机械手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。3.1.2 末端执行器的运动和驱动方式末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种4。 此次设计确定采用气动驱动方式，这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。3.1.3 末端执行器的典型结构结构如下5：（1）楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。（2）滑槽式手爪 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。（3）连杆杠杆式手爪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。（4）齿轮齿条式手爪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。（5）平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。3.1.4 末端执行器的具体设计根据以上准备可知本次设计采用标准气爪，可直接选型即可。本设计要求机械手手爪的最大持重m=10Kg，根据具体的工作要求，选择标准平行开闭型气爪，其结构如图6所示。当A口进气B口排气时，气缸活塞杆1伸出，通过杠杆2绕杠杆轴8回转，带动两个手指4通过一组钢球3在导轨5上作向外直线运动，两手指便张开，松开工件。止动块6限制手指张开行程，定位销7保证直线导轨不错位。反则使两个手指4合紧夹紧工件，如下图66：图6 平行开闭型气爪结构原理图Fig6 structure diagram of parallel opening and closing type gas claw对夹持工件进行受力分析如图7所示，2个手指的总夹持力产生的摩擦力2F必须大于夹持工件的重力mg，故应满足 2Fmg即 Fmg/2式中 摩擦系数，本设计的夹持辅助件材料为硬质橡胶，一般令=0.65；由此 Fmg/2=109.8/(20.65)=75.4N 图7 夹持工件受力示意图Fig7 force diagram of workpiece clamping根据计算出的夹持力的大小和表17，可选择合适的末端执行器（手爪）的型号：MHZ-25D,即缸径为25mm。表1 标准型气爪参数 Table1 parameters of standard type pneumatic claw动作方式型号外径夹持力内径夹持力开闭行程双作用MHZ2-6D3.36.14MHZ2-10D11174MHZ2-16D34456MHZ2-20D426610MHZ2-25D6510414MHZ2-32D15819322MHZ2-40D25431830可知其开闭行程为14mm，根据下表28，确定平行夹指气缸的尺寸大小。（单位：mm） 表2 平行夹指式气动夹持机构外形结构尺寸参数 Table2 contour structure size of parallel clamp finger type pneumatic clamping mechanism ABCDEFGHKL3665203.43442483010闭合7张开174878254.24150623212闭合9张开225797305.25062803814闭合12张开305798306.75265804814闭合12张开30根据表2的参数，画的平行夹指式气动夹持机构外形结构尺寸图如下：图8 平行夹指式气动夹持机构外形结构尺寸示意图 Fig8 structure dimensions diagram of parallel clamp finger type pneumatic clamping mechanism所以选择上表中第一组尺寸的平行夹指气缸。3.2 机械手手臂的设计计算3.2.1 机械手手臂设计要求手臂是机械手的主要部分，它的作用是支承手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩和升降。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说腕部控制1个自由度，即手爪的升降，臂部应该具备2个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、手臂升降。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能4。（1）应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。（2）机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。（3）为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。（4）机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。（5）机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。（6）机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。3.2.2 机械手臂的具体设计方案前的活塞杆上输出力和缸径的计算属于单向气缸。由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力，利用下述公式可计算出缸径D。活塞杆左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时产生拉力F29。 F1=D2p/4-Fz F2=/4(D2-d2)p- Fz （1）式中：F1-活塞上的推力(N) F2-活塞杆的拉力（N） D-气缸直径（m） d-活塞杆直径（m） p-初选的工作压力（Pa），一般为P=（0.10.8）MPa Fz-气缸工作总阻力（N）气缸工作是的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力，背压阻力，密封处摩擦力等。以上因素可以载荷率的形式计入公式。 当活塞杆输出推力克服载荷做功时，其公式为9： F1=D2p/4 D= （2）当活塞杆输出拉力克服载荷做功时，其公式为9： F2=/4(D2-d2)p D= （3）式中：-总机械效率，当气缸动态性能要求，工作频率高时，取=0.30.5；速度低时取最大值，速度高时取最小值。气缸动态性能要求一般，工作效率低时，可取=0.70.85根据拉力预先估定活塞杆直径。估定活塞杆直径d/D=0.30.5把d/D=0.30.5代入，可得公式9： D= （1.05-1.15） （4） 3.2.3 机械手臂的具体设计方案常见的手臂结构有以下几种10：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气缸空心结构。（3）双活塞杆气缸结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。在本气动机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所能执行的运动示意图如图9所示。图9 机械手运动示意图Fig9 motion diagram of manipulator将旋转气缸安装在底板上，就可以实现摆动运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在两个位置（完全伸出和回缩位置）之间进行切换。根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大部分：伸缩臂腕的设计，实现机械手的水平伸缩运动和手爪的竖直伸缩；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动。3.2.4 伸缩臂腕的设计其中伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。由于伸缩手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸缩手臂的设计应该保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。其中使手爪伸缩的另一执行机构，使手爪在竖直方向上做伸缩运动，常用的也有单导向杆和双导向杆，其同水平伸缩运动11。因此为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择11。其中对于小臂升降双导杆气缸缸径计算： 根据本机械手的设计技术参数，机械手爪的最大持重m=10kg，加上气爪和连接板的重量，总质量约为11kg，由此，小臂的最大负载F=mg=107.8N。 取d/D=0.5 P=0.5MPa, =0.3,有公式（4）得 D=1.15=34.69mm所以取标准缸径D=38mm，其活塞杆直径：d=19mm。其中对于手臂伸缩双导杆气缸缸径的计算：根据换刀机械手立柱升降气缸运动过程的要求，气缸收缩时承受的外力F120N取d/D=0.5 P=0.5MPa, =0.3,有公式（4）得 D=1.15=36.7mm所以取标准缸径D=38mm，其活塞杆直径：d=19mm。此因根据表312，确定两个双导杆气缸的尺寸大小。（单位：mm） 表3 双导杆气缸的外形尺寸参数Table3 size parameters of double guide rod cylinderABCDEFGHLMdddTP标准行程82384020509586581M56.51012G1/825、50、7582384020509586586M56.51012G1/880、100、125985078326710747298M68.51515G1/8150、160、17511956843877108776110M68.51515G1/4200、250根据表3提供的参数，绘制双导杆气缸外形尺寸示意图如下：图10 双导杆气缸的外形尺寸示意图Fig10 outline dimension diagram of double guide rod cylinder根据以上的计算，所以选择最后一组数据的尺寸。3.2.5 升降手臂的设计机械手升降手臂是直接支撑和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。按照设计要求，机械手要实现竖直方向200mm的升降运动，实现该运动的机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，要和回转臂一起综合考虑，分析。常用的机械手手臂结构有以下几种13：（1）回转臂置于升降手臂之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是升降手臂在回转臂上部，回转臂需承受较大的压力。（2）回转臂置于升降手臂之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转臂与伸缩手臂一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。经过综合考虑，本设计选用回转臂置于升降手臂之下的结构。竖直升降手臂是完成气动机械手竖直方向运动的动力元件，由于它要承受伸缩手臂和重物的偏心负载，在选型时要求气缸能承受较大的偏心负载，另外为了减小气缸活塞杆的弯曲变形程度，需加导杆机构。升降手臂的设计可以采用普通单杆直线伸缩小型气缸，外加导向装置。由于升降手臂位于回转臂之上，外加的导向装置必然会加大对回转臂的压力，导向装置的安装还必须和手臂保持一定的平行度精度，对设计要求较高。经查找资料，发现已经有带导杆机构的标准气缸，采用这种标准气缸，既可满足设计精度、简化设计结构，又可以节约设计成本。本设计的升降手臂直接选用小型气缸，如图11所示。该气缸高度小，气缸本身带导杆装置，不需要另外再设计导向机构，耐偏心负载（导杆直径较大），气缸本身附设令活塞杆不回转装置，可安装其它附件，磁性开关可安装在气缸的四侧。 图11 小型气缸Figure11 the cylinder of small其中立柱升降小型气缸缸径的计算：根据换刀机械手立柱升降气缸运动过程的要求，气缸收缩时承受的外力F135N。 取d/D=0.5 P=0.5MPa, =0.3,有公式（4）得 D=1.1538.9mm 所以取标准缸径D=39.5mm，其活塞杆直径：d=20mm。可根据下表414，确定其尺寸。（单位：mm） 表4 小型气缸外形尺寸参数Table4 shape size parameters of small cylinderABCDELMM1P标准行程i284012291670M81.25M221.5Rcl/825、50、75304414341670M101.25M221.5Rcl/880、100、12530441439.51670M101.25M242Rcl/8150、16052292M121.25M302Rcl/4200、250根据表4提供的参数，绘制小型气缸外形尺寸示意图如下： 图12 小型气缸外形尺寸示意图Figure12 dimensions diagram of small cylinder根据标准行程选择第三组数据尺寸作为小型气缸的尺寸。3.3 机械手腰部的设计计算3.3.1 回转部分的设计回转臂位于机械手结构的最底端，它承担着机械手的全部重量，因此对回转臂的承载能力要求较高。又由于回转臂要带动整个机械手转动，因此要求在回转时要保证其平稳性。按照设计要求，机械手要实现180范围内的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处和底座固定。在本设计中的回转臂直接选用转角气缸，如图13所示。此类型的回转气缸使用高精度滚珠轴承，故垂直及水平位置精度提高到0.01mm；回转台型，工件安装方便；摆动顺滑、准确；中空轴可用于引入电线或气管；标准带角度调整装置，调节角度范围大(0180)；内置磁环，可安装磁性开关。图13 转角气缸Fig13 corner of the cylinder对摆台进行受力分析如图14所示，摆台要承受以上部件对它的轴向负载F和偏心负载G总对它的产生的弯矩M。图14 摆台受力计算图Figure14 calculation chart of table 当机械手竖直向下运动时，摆台受到的轴向负载最大，它的大小由摆台以上部件的总重力和惯性力决定，即 F=F重+F惯式中 F重摆台所要支撑的重力之和； F惯机械手在下降过程的惯性力。由于机械手承受重物的偏心负载，必然会对摆台产生一个弯矩，在选择摆台时需保证摆台