基于PLC控制的三自由度气动机械手设计

1、任务书课题 来源企业需求课题 的 目的、 意义在工业生产线中，机械手臂具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系 统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一 个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高， 提高了产品质量和生产效率。要 求1、文献综述(1)气动式机械手臂用途及原理(2)国内外研究状况及发展趋势2、文献翻译(外文文献翻译原文2万字符)3、结构设计4、三自由度气动式机械手臂的PLC控制设计5、装配图、零件图、电路原理图的绘制及相关控制程序的编写课 题 主 要 内 容 及 进 度工作内容日期完成开题报告及资料翻译08.10.1 -08.10.

2、30确定结构方案08.11.1 -08.12.30电气控制部分方案设计与编程09.1.1 -09.2.30图纸绘制09.3.1 -09.4.30撰写毕业论文09.5.1 -09.5.30答辩准备及答辩09.6.1 -09.6.10以上各项由指导教师填写(请用钢笔填写)开题报告一、课题的来源、目的、意义，国内外基本情况课题的来源：本课题来源于企业需求。课题的目的、意义：在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重 要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。 机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。 国内

3、外研究状况及发展趋势：近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广 泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方 式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出 了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理 论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气 动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发 研究。从各国的行业统计资料来看,近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代， 液压与气动元件的产值比约为9：

4、1,而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日 本等国家，该比例已达到6： 4,甚至接近5 ： 5。我国的气动行业起步较晚,但发展较 快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20犯上，高于中国机械工 业产值平均年递增率。随着微电子技术、PL仪术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。I ,气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强 磁、辐射等恶劣环境下工作。而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、容易实现无级调速、易

5、实现过载保护、 易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电 行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上。H.发展前景及方向a）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，以气动机械手的重复精度将越及气动伺服技术

6、走出实验室和气动伺服定位系统的成套化 来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。b）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

7、发展方向。c）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。d）机电气一体化由“可编程序控制器-传感器-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

8、阀的线圈功率越来越小，而 PLC勺输出功率在增大,由PLCft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PLC,而阀技术的发展,又使PLCfe气动机械手、气动控制中变得更加得心应 手。气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术 及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、 气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行 业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水 平的提高及现代控制理论

9、的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术 基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂 的动作等诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进 入工业、航空、医疗、生活等领域。二、预计达到的目标、关键理论和技术、完成课题的方案和主要措施.预计达到的目标：采用气动装置PLC空制机械手，它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个 指定的位置进行装配。主要完成的是气动式机械手臂的结构方面设计，以及用PLO件进行简单的控制编程设计机械手具有三个自由度：上下一个，旋转一个，手指的开闭一个。上下是10cm,前后是25cm旋转是90度，手抓开合

10、是60度。工件尺寸大约在1.52cmft径。.关键理论和技术：运用机械手的工作原理：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PLC?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。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。位置检测装置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。(如下图所示)驱动系统控制系统 (PLC)位置检测装置

11、执行机构机械手的系统工作原理框图运用到所学知识有机械设计理论，液压传动技术，电液控制技术，PLC空制编程技术，电工电子技术，液压系统设计原理等。.完成课题具体方案措施如下：(1)、机械手各执行机构设计，包括：末端执行器、手臂、手腕及基座的设计设计参数:.机械手最大抓重：1 kg.工件尺寸：直径约1.52cm.自由度数：3 个自由度.坐标型式：圆柱坐标.手指开合角度：60 0 （最大速度：60度每秒）.支座旋转角度：900 （最大速度：90度每秒）.手臂运动参数伸缩行程：100mm伸缩速度：100mm/s升降行程：200mm升降速度：100mm/s.机械手（重复）定位精度： 0.5mm（2）、驱

12、动系统的设计本课题上下、旋转和手爪开合三个自由度选择气压传动系统驱动，包括气动元器件 的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。（3）、设计控制部分本机械手采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选取PLC号 （初定三菱的PLCI置），根据机械手的工作流程编制出PLC1序，并画出梯形图。预 定工作流程如图所示。手指夹紧 Y轴大臂向上 1 支座顺时针转Y轴大臂向下机械手循环动作流程Y轴大曾向下支座逆时针转 一丫轴大臂向上- 手指松开（4）、图纸绘制。装配图、零件图、电路原理图的绘制三、课题进展计划日期工作内容08.10.1 08.10.30完成开题报告及资料翻译08.11.1 0

13、8.12.30确止结构力条0.30电气控制部分方案设计与编程0.30图纸绘制0.30撰写毕业论文0.10答辩准备及答辩四、主要参考文献1吴振彪.工业机器人.武汉：华中理工大学出版社，19972郭洪红.工业机器人技术.西安：西安电子科技大学出版社，2006.33王天然.机器人.北京：化学工业出版社，20024白井良明日.机器人工程.北京：科学出版社，20015大熊繁日.机器人控制.北京：科学出版社，20026陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计M.上海：上海科学技术文献出版社，2000.5SMC（中国）有限公司.现代实用气

14、动技术.第二版.北京：机械工业出版社，2003.108郑洪生.气压传动及控制，第二版M.北京：机械工业出版社，19929林文坡.气压传动与控制M.西安：西安交通大学出版社，199210成大先.机械设计手册.第五卷.第四版M.北京：化学工业出版社，200211机械设计手册编委会.机械设计手册.气压传动与控制.北京：机械工业出版社，2007.212气动工程手册编委会.气动工程手册M.北京：国防工业出版社，199513王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动.第二版.北京：机械工业出版社，200514吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2006.515何铭新，钱可强.机械制图.北

15、京：高等教育出版社，2004. 116张建明等.机电一体化系统设计.第二版.北京：北京理工大学出版社，2008.617王信义.机电一体化技术手册.第二版.北京：机械工业出版社，200018张建民.机电一体化原理和应用.北京：国防工业出版社，199219高钟毓.机电控制工程.北京：清华大学出版社，199420钟福金，吴晓梅.可编程序控制器M.南京：东南大学出版社，200321李建兴.可编程序控制器应用技术.北京：机械工业出版社，2004.7Yuan Shihua , Hu Jibin. The research on the efficiency of multirange hydro-mech

16、anical transmissionJ. Journal of Beijing Institute of Technology,1998Goo Bong Chung and Byung-Ju Yi etl. Design and analysis of a spatial 3_DOF Micromanipulator for tele-operationA.Proceed-ings of the IEEE/RST International conference on Inellligent Robots and SystemC.USA,2001Tim King and Michele Po

17、zzi and Angelo Mannara, Piezoactuators for real-world applicationsJ. Power Engineering Journal,2000在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提 高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行 了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手 部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及 手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升

18、降，异步电机来实现机械手的旋转。运用了 FX系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制,论述了电气控 制系统的硬件设计，控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。关键词：机械手，气缸，可编程序控制器充值后就可以下载此设计说明书。全套资料包含有相应的word说明书（附带：任务书、开题报告、外文翻译）和CAI纸（共计14张图纸）。需要全套资料的朋友请加3玛1: 1459919609或g岛2: 1969043202,需要其他设计题目直接联系！ ！ ！AbstractIn mechanical manufacturing industry, manipulator has been a

19、pplied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly.This article through to manipulators composition and the classification, and the domestic and foreig

20、n development conditions understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulators clamp type hand structure; As well as has designed manipulator

21、s gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernails opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulators revolving.

22、The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program.Key words： manipulator, air cylinder, Programmabl

23、e controller (PLC) TOC o 1-5 h z 绪百 1 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 机械手的概述1 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 我国机械手的发展1 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 气动机械手的应用现状及发展前景 3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 本课题设计要求 5 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2机械手的总

24、体设计方案 7 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 机械手的系统工作原理及组成 7 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 机械手基本形式的选择8 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 驱动机构的选择9 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 机械手的技术参数列表 9 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 3机械手的机械系统设计 11 HYPERLINK l bookm

25、ark39 o Current Document 机械手的运动概述 11 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 机器人的运动过程分析12 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 4机械手手部结构设计及计算 13 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 手部结构13手部结构设计及计算14 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 夹紧气缸的设计16 HYPERLINK l bookmark49 o Current Docu

26、ment 5机械手手臂机构的设计 22 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 手臂的设计要求22 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 伸缩气压缸的设计22 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 导向装置27 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 6机械手腰部和基座结构设计及计算 29 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 结构设计 29 HYPERLINK l bo

27、okmark61 o Current Document 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 29 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 导向装置33 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 平衡装置33 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 基座结构设计34 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 7气动系统设计 37 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 7.1气压传动系

28、统工作原理图37398机械手的PLC空制系统设计 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 可编程序控制器的选择及工作过程 39 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 可编程序控制器的使用步骤 40 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 机械手可编程序控制器控制方案 409结论 52参考文献 53致谢 541绪言在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重 要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到

29、另一个指定的位置进行装配。 机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。机械手的概述机械手（又称机器人，机械人，英文名称：Robot）,在人类科技发展史上其来有自。早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工 业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。由于科学幻想所系的“永动 机”、太空探险以及梦想解决人的机能所无法达致境界的求新意念，推动科学家想研究 创造出种种能够代替人的机械。上世纪六、七十年代的自动化机器、无人操纵的飞行器 等等，即是此产业发展链条上的一个大胆的尝试与突破。虽然，后来电脑、电子产业的 发达引开了人们关注的热点

30、，但关于机械手的研究与开发一直在持续进行着。而近二十 年中，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展，“机械手”的研 发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开发活动，参与者 也打破了各行各业的划地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争奇斗妍，蔚成热 潮的研究与制作尝试。机械手的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械臂的开发与制作，也是为了以 机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机械手的开发不仅越 来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发， 月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手

31、术机械，生命监 测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车， 有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机械手的战争。至于工业、农业、遗传 生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机械手的大量登场而出现产业 革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引 擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机械手 的山。我国机械手的发展第一台机械手出现后20年，我国于1972年开始研制机械手，由上海起，接着天津， 吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液 压伺服型同用机

32、械手，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研 究，这些机械手大约有1/3用于生产。在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机械手技术的发展得到政府的 重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机械手的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机械手的需求主要集中于汽车行业(占总需要的60%-70% 0在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几 所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机械手基础技术，基础元器 件，几类工业机械手整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机械手成套技 术(包括机械手、控制系统、驱动

33、传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生 产的工艺技术等)的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专 用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机械手专用薄壁轴 承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标 达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车 厂建立的我国第一条采用国产机械手的生产线一东风系列驾驶室多品种混流机械手喷 涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机械手和PM系列喷涂机械手和周边设备构成，已 运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机械手应用的一个窗 口

34、；此外，还建立了几个弧焊和点焊机械手工作站。与此同时，还研制了几种 SCARA 型装配机械手样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。 开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机械手标准体系和12项国标，行标。为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机械手的研究开发， 包括水下无缆机械手，高功能装配机械手(DD驱动)和各类特种机械手，进行了智能 机械手体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已 取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代

35、机械手的发展。经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了 160多个单位从事机械手及其相关技术的 研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养 了一支2000多人的工业机械手设计、研制、应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国 的工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。90年代初期，我国主要开发下列机械手：(1)喷涂机械手(2)焊接机械手(3)搬运机械手(4)装配机械手在90年代中期，国家已选择以焊接机械手的工程应用为重点进行开发研究，从而迅 速掌握焊接机械手应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术， 即以机械手焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计

36、、线体总控及多机通讯，新型焊接机械手用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以 及几条焊装生产线的全套应用及其可行性作为主攻目标。虽然我国的机械手研发工作基本上属于科学研究的项目，但据说，中国科学院目前 已造出说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机械手，其水准可媲美日本同 行，但这台机械手体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机械手能否以二脚行走已成 为一个热门及熟练的技术竞赛项目， 譬如有“二足机械人竞赛大会”（分等级）。其实， 机械手的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机械手造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造性的文化产业

37、等方面，比如机械手的关节 就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征（其 中很重要的是民族特征的外表）等等。英国的科学家甚至预言，到2020年，随着机械手愈来愈精密和使用有机零件制造，它们将会受到“机械手权”的保护。气动机械手的应用现状及发展前景近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广 泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方 式更灵活，性能更加可靠； 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提 出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控 制理论的发展，使气

38、动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高； 由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大 力开发研究。从各国的行业统计资料来看,近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液 压与气动元件的产值比约为9：1,而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等 国家，该比例已达到6 : 4,甚至接近5 : 5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从 20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达200上，高于中国机械工业产值 平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的 发展与应用，气动技术已成为实现现代传动

39、与控制的关键技术之一。气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，Johnwilkimson发明能产生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

40、 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

41、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Bandog授领导的综合技术部开发研制的电子 气动机械手一一“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控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械手，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。Tron-X电子气动机械手，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

42、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。Tron-X电子气动机械手集电子技术、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械手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。气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强 磁、辐射等恶劣环境下工作。而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、容易实现无级调速、易实现过载保护、 易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导

43、体及家电 行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机 械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧 和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以 看到许多灵巧的真空吸盘将一股气爪很难抓起的显像管、

44、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。 气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧 紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。止匕外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如 ：气动自动调节 病床,机械手，外科手术机械手等3 o发展前景及方向(1)重复高精度(2)模块化(3)无给油化(4)机电气一体化气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术 及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上

45、形成了以日本、美国和欧盟气动技术、 气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但 随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业 为国家的发展进步发挥着重要作用。 随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的 提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。 由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等 诸多独特的优点，可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进入工业、军 事、航空、医疗、生活等领域。本课题设计要求本课题将要完成的主要任务如下：(1)机械手为通用机械手

46、，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括：手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒 料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。(4)气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统， 包括气动元器件的选取，气动回路的设计， 并绘出气动原理图。(5)机械手的控制系统的设计6本机械手拟采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选取 PLC型 号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图2机械手的总体设计方案机械手的系

47、统工作原理及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PLC程序控制的条件下，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。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。位置检测装置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要求 达到设定位置4。（一）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。（1）手部即与物件接触的部件。由于

48、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。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式 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

49、簧 式和重力式等。（2）手臂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。（3）立柱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。（4）机座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608（二）

50、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。（三）控制系统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股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PLC 程序控制系统，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。（四）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

51、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.机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，如图 2-1所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机械 手；（4）多关节型机机械手。图2-1工业机械手基本结构形式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，因此本设计采用圆柱坐标型6驱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

52、种方式：气动 方式,液压方式，电驱动方式7 0(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：A步进驱动：功率小，开环控制，控制简单，可能失步。B直流驱动：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。C交流驱动：维护简单，使用环境不受限制，成本较低，调速性差。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用电机驱动和减速机传动来实 现机器人的旋转运动；利用气压缸驱动实现手臂上

53、下运动；考虑到本设计中的机器人工 作范围不大，故利用气压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，用小型气压缸驱动夹紧。2.4机械手的技术参数列表用途搬运：用于车间搬运在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重 要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。 机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。设计技术参数：.机械手最大抓重：1 kg.工件尺寸：直径约1.52cm.自由度数：3 个自由度.坐标型式：圆柱坐标.手指开合角度：60 0 (最大速度：60度每秒).支座旋转角度：900 (

54、最大速度：90度每秒).手臂运动参数10伸缩行程：100mm伸缩速度：100mm/s升降行程：200mm升降速度：100mm/s.机械手（重复）定位精度： 0.5mm113机械手的机械系统设计机械手的运动概述机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。(1)机械手的运动自由度所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机械手动作灵活程度的参数。本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复 三自由度，如图3-1所示。(2)机械手的工作空间工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范

55、围，是机械手 的主要技术参数，工作空间图如图3-2所示。图3-2 工作空间图(3)机械手的机械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共 三个自由度组成的运动系统(代号 RPP),工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比12较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如表3-1所示。表3-1工业机器人的运动过程中各动作机械手开机，处于A位工Q旋转至B立工步二手臂下降工步三手臂伸出工步四夹紧工件工村手臂收缩工步六手臂上升工步七旋转至A位工步八手臂下降工步九放松工件工步十手臂上升工实现运动过程中的各工步是由机械

56、手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性8 0134机械手手部结构设计及计算手部结构本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形 式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮 齿条式的传力机构。手指的形状和分类夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持 工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可 分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本 型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到

57、无穷小时，就变成了一支点回 转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转 型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复 杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的 工件网。设计时考虑的几个问题(1)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的 惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(2)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直

58、径的工件考虑。对于 移动型手指只有开闭幅度的要求。(3)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相 应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。(4)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力 和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧 凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(5)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形

59、状设计成 V型。144.2手部结构设计及计算本课题气动机械手的手部结构设计10如图4-1所示:驱动杆2-壳体 3-扇齿轮 4-中间齿轮5-手指 6T形指 7-工件图4-2手爪受力分析图如图4-2所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得:图4-1齿轮齿条式手部手部驱动力的计算:其工件重量G=1公斤，V形手指的角度23=120, b = 30mm a R = 12.5mm ,摩擦系数为f =0.25(1)根据手爪类别，计算夹紧力m ( g a)% 二-1 .: S(N)(4-1)15式中，m-工件质量，kg;g-重力加速度，m/s2;a -动态运动时产生的加速度，m/s2;S-安全系数；a-V型手爪张

60、开的角度，飞N-气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手抓与工件材料都采用45钢，查表得=0.25所以m ( g a)Fg = mAyL sin ： S(N )2 TOC o 1-5 h z =1 9.8输 602 52 0.250= 42.43N ： 45N(2)根据手部结构的传动示意图4-1 ,其驱动力为：2b KlF =N(4-2)R所以2b 2 30F = N = 45 = 216(N)R 12.5(3)实际驱动力：K1K2 TOC o 1-5 h z F实际之 F -一(4-3)因为传力机构为齿轮齿条传动，故取”=0.94,并取K =1.5。若被抓取工件的为匀速取a=0时，则：K2 =1+a