多工位冲床专用机械手设计

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：多工位冲床专用机械手设计

系： 123 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 123 学号： 123 学生： 123

指导教师：123 接受任务时间

教研室主任 （签名） 系主任 （签名）

1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1）、规格参数：

抓重;3公斤（吸盘吸力为1公斤）；自由度数:3个；座标型式:直角座标

手臂运动参数：伸缩行程:100毫米，升降行程:30毫米，横移行程:150毫米；冲床动作颇率:12次/分；驱动方式:气动；缓冲方式;液压缓冲器缓冲；定位方式:机械挡块；定位精度: ±0.5毫米 2）、设计要求：

（1）、全部设计图纸用AutoCAD绘制； （2）、设计说明书1份（40页以上）。 2．指定查阅的主要参考文献及说明 （1）机械零件设计手册 （2）工业机械手图册 （3）机械设计手册 （4）其他相关参考资料 3．进度安排 1 2 3 4 5 设计（论文）各阶段名称 查阅相关参考资料，完成开题报告 结构设计 完成AutoCAD零件图、装配图 编写设计说明书 毕业设计（论文）的修改、答辩的准备 起 止 日 期 ——20103.15 2010.3.16——2010.4.5 2010.4.6——2010.4.26 2010.4.27——2010.5.3 2010.5.5——2010.5.17 注：本表在学生接受任务时下达

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摘要

本文简要介绍了工业机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，气动技术的特点，继电器控制的特点及国内外的发展状况。

本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出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。

设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。

利用继电器程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的电磁继电器，根据机械手的工作流程制定了继电器程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了继电器程序控制器的控制程序。

关键词： 机械手，气动，继电器程序控制器

I

ABSTRACT

ABSTRACT

At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dray information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.

The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,

The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator ,

This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm.

The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart .

KEY WORDS : manipulator , pump , air pressure drive .

II

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目录

摘要 .................................................................... I ABSTRACT ............................................................... II 第一章 绪 论 ........................................................... 1

1.1 工业机械手 ................................................................ 1

1.1.1工业机械手概述 ........................................................ 1 1.1.2选题背景 .............................................................. 1 1.1.3设计目的 .............................................................. 2 1.2 机械手的组成和分类 ........................................................ 3

1.2.1机械手的组成 .......................................................... 3 1.2.2 机械手的分类 .......................................................... 6 1.3 国内外发展状况 ............................................................ 7 1.4 课题的提出及主要任务 ..................................................... 9

1.4.1课题的提出 ............................................................ 9 1.4.2课题的主要任务 ....................................................... 10

第二章 机械手的设计方案 ............................................... 11

2.1机械手的座标型式与自由度 .................................................. 11 2.2 机械手的手部结构方案设计.................................................. 13 2.3 机械手的手腕结构方案设计.................................................. 13 2.4 机械手的手臂结构方案设计.................................................. 14 2.5 机械手的驱动方案设计 ..................................................... 16

2.5.1机械手气压驱动 ...................................................... 17 2.5.2机械手气压驱动系统 ................................................... 17 2.6 机械手的缓冲方案设计 ..................................................... 19 2.7 机械手的主要参数 ......................................................... 20 2.8 机械手的技术参数列表 ..................................................... 20

第三章 手部结构设计 ................................................... 22

3.1夹持式手部结构 ............................................................ 22 3.2手指的形状和分类 .......................................................... 22 3.3设计时考虑的几个问题 ...................................................... 23

目录

3.4手部夹紧气缸的设计 ........................................................ 23

第四章 手臂伸缩，升降，横移的尺寸设计与校核 ........................... 28

4.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 .............................................. 28

4.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 ............................................... 28 4.1.2 尺寸校核............................................................. 28 4.1.3.导向装置............................................................. 29 4.1.4 平衡装置............................................................. 29 4.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 .............................................. 30

4.2.1 尺寸设计............................................................. 30 4.2.2 尺寸校核............................................................. 30 4.3手臂横移气缸的尺寸设计与校核 .............................................. 31

4.3.1 尺寸设计............................................................. 31 4.3.2 尺寸校核............................................................. 31

第五章 机械手的电气控制系统设计 ...................................... 33

5.1 气压传动系统工作原理图 .................................................. 33 5.2气压传动系统工作原理图的参数化绘制 ........................................ 34

第六章 结论 ........................................................... 36 致 谢 .................................................................. 37 参考文献 ............................................................... 38

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第一章 绪 论

1.1 工业机械手 1.1.1工业机械手概述

工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.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”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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。

1.1.2选题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提

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第一章 绪论

高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.1.3设计目的

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的多工位冲床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

目前，在国内很多工厂的生产线上多工位冲床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

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： 一、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。 二、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。

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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。 三、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。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

本机械手主要与多工位冲床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

1.2 机械手的组成和分类 1.2.1机械手的组成

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。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

图2-1机械手组成方框图

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第一章 绪论

(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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的: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等。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、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

图1-1 机械手手抓结构

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

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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。 4、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I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、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。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的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。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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。 (二)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般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，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

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第一章 绪论

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。

1.2.2 机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特

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性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三)按控制方式分 1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过

程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

1.3 国内外发展状况

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

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第一章 绪论

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后

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期立于世界先进行列之中。

1.4 课题的提出及主要任务 1.4.1课题的提出

进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。

现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:

(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。

(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.

（2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加

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第一章 绪论

工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

1.4.2课题的主要任务

本课题将要完成的主要任务如下:

(1)机械手为多工位冲床专用机械手，因此相对于通用机械手来说，它的适用面相对较小.

(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、手腕、手臂等部件的设计。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)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。

(6)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用继电器对机械手进行控制，本课题将绘出继电器控制电路图。

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第二章 机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是多工位冲床专用机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的和操作单调频繁的生产场合。

2.1机械手的座标型式与自由度

工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节

型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。

图2-1 机械手的四种坐标形式

1.直角坐标机械手结构

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a2-1.。

由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。

直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

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第二章 机械手的设计方案

2.圆柱坐标机械手结构

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图

2-1.b。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

3. 球坐标机械手结构

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。

这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

4. 关节型机械手结构

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机械手动

作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。

关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在工作时手臂具有伸缩、横移和升降运动，因此，采用直角座标型式。下图为本次机械手的自由度以及运动示意图。

图2-1 机械手的运动示意图

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2.2 机械手的手部结构方案设计

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，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。

2.3 机械手的手腕结构方案设计

1.机械手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机械手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机械手腕部的灵活性愈高，机械手对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。

2.机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

3.机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。

4.机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

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第二章 机械手的设计方案

6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。 机械手的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

考虑到机械手的优化，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；

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

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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。

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：

机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，气压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择气压驱动方式，通过气压缸的直接驱动，气压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且气压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

因为气压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂气压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大气压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、横移和升降运动。手臂的横移、升降运动是通过立柱来实现的。手臂的各种运动由气缸来实现。

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第二章 机械手的设计方案

图2-4 机械手手抓部分将结构图

2.5 机械手的驱动方案设计

工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。

3.电动驱动系统

由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机械手中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动

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机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机械手中被广泛的使用。

设计机械手时，驱动系统的选择，要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：

1.物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机械手，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机械手多采用气动驱动系统。

2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机械手多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机械手选用液压驱动系统。 2.5.1机械手气压驱动

1、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。 2、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。

3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为50~500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。

4、可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。

5、利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。

6、全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。

7、由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。

综上气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉等优点，因此本机械手采用气压传动方式。 2.5.2机械手气压驱动系统

气动机械手采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机械手作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机械手具有气源使用方便、不污染环境、

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第二章 机械手的设计方案

动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。

气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机械手中的。这类机械手多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。

1.气源 由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机械手及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。

2.气动三联件 由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。

3.气动阀 气动阀的种类很多，在工业机械手的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。

4.气动执行机构 多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。

为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机械手中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。

5.制动器 气动机械手的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms

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计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机械手一个单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。

6.限位器 气动机械手各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机械手中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机械手运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。

2.6 机械手的缓冲方案设计

缓冲的字面意思是减缓冲击力。除了真正的冲击力外，缓冲还有抽象的意义。凡是使某种事物的变化过程减慢或减弱进行都可以叫缓冲。比如让化学反应不那么剧烈的物质就叫缓冲剂。缓冲的程度不同，可用减缓的百分数来表达。本设计机械手设计中的缓冲均采用液压缓冲器进行缓冲。液压缓冲器就是一种从外部控制的能量

吸收装骶。借液压阻尼作用对在作惯性滑行的车皮进行缓冲减速至停止。

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第二章 机械手的设计方案

2.7 机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为3公斤

2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。平均移动速度为0.8m/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程、横移行程和升降。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的运动行程，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的参数：伸缩行程定为100mm,横移行程为150mm，手臂升降行程定为30mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为±0.5mm。

2.8 机械手的技术参数列表

一、用途:

用于自动加工的上下料。 二、设计技术参数: 1、抓重

3 Kg 2、自由度数

3个自由度 3、座标型式

直角座标 4、手臂最大中心高

1250mm

5、手臂运动参数 伸缩行程100mm 伸缩速度40

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升降行程30mm 升降速度60mm 横移行程150mm 6、手指夹持范围

棒料:?80mm??150mm 7、定位方式

固定挡块或可调机械挡块等 8、定位精度 ±0.5mm 9、驱动方式 气压传动 10、控制方式 继电器程

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第三章 手部结构设计

第三章 手部结构设计

3.1夹持式手部结构

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。

图3-1 机械手手部结构简图

3.2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。

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3.3设计时考虑的几个问题

(一)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。 (二)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，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)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。 (四)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。 (五)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，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示

3.4手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，

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第三章 手部结构设计

图3-1 冲床专用机械手手部手部机构

其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2??120?，b?120mm?R?24mm,摩擦系数为f?0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

p?2bN R(2)根据手指夹持工件的方位，可

N?0.5tg(???)

:

?0.5?5?tg(60??5?42')

?25(N)所以

p?2bN?245(N) R (3)实际驱动力:

p实际?pK1K2

?I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取??0.94，并取K1?1.5。若被抓取工件的最大加

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速度取a?3g时，则:K2?1?所以p实际?245?a?4 g1.5?4?1563(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。 2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F1??D2P4?Ft?Fz

式中: F1 - 活塞杆上的推力，N

Ft - 弹簧反作用力，N Fz- 气缸工作时的总阻力，N

P- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

Ft?Gf(1?s)

Gf?Gd1344D1n3

Gf =

Gd18D1n

式中:Gf- 弹簧刚度，N/m

1- 弹簧预压缩量，m

s- 活塞行程，m d1- 弹簧钢丝直径，m D1- 弹簧平均直径，.

n- 弹簧有效圈数.

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第三章 手部结构设计

G- 弹簧材料剪切模量，一般取G?79.4?109Pa

在设计中，必须考虑负载率?的影响，则:

FD2p?1??4?Ft

由以上分析得单向作用气缸的直径:

D?4(F1?Ft)?p?

代入有关数据，可得

GGd479.4?109?(3.5?10?341f?8D3?)?3 1n8?(30?10)3?15 ?3677.46(N/m) Ft?Gf(1?s)

?3677.46?60?10?3?220.6(N)

所以:D?4(F1?Ft)4?(490?220.6)?pn???0.5?106

?65.23(mm)

查有关手册圆整，得D?65mm

由d/D?0.2?0.3,可得活塞杆直径:d?(0.2?0.3)D?13?19.5mm圆整后，取活塞杆直径d?18mm校核，按公式F1/(?/4d2)?[?] 有:d?(4F1/?[?])0.5

其中，[?]?120MPa，F1?750N 则:d?(4?490/??120)0.5

?2.28?18

满足实际设计要求。

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3,缸筒壁厚的设计

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:

??DPp/2[?]

式中:6- 缸筒壁厚，mm

D- 气缸内径，mm

Pp- 实验压力，取Pp?1.5P, Pa 材料为:ZL3,[?]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

??DPp/2[?]

?65?6?105/(2?3?106)?6.5(mm)

取??7.5mm，则缸筒外径为:D1?65?7.5?2?80(mm)

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第四章 手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核

第四章 手臂伸缩，升降，横移的尺寸设计与校核

4.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 4.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计

手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为?100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件。

图4-1 气缸局部示意图

4.1.2 尺寸校核

1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用

要求即可,设计使用压强P?0.4MPa, 则驱动力：

F?P??R

2?0.4?106?3.14?0.03152

?1246(N)1， 测定手腕质量为50kg,设计加速度a?10(m/s)，则惯性力

F1?ma

?50?10?500(N)

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2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,

Fm?k.F1

?0.2?500?10(0N)

? 总受力F0?F1?Fm

?500?100?600(N)

F0?F

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。

4.1.3.导向装置

气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。

导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

4.1.4 平衡装置

通常，机械手所采用的平衡机构主要有以下几种： 1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

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第四章 手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩

对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

4.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 4.2.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为l=30mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间?t=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力

G0?p.?R2``

?0.4?10?3.14?0.055

62(N) ?37994.2.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力

G?mg

?80?10?800(N)

2，设计加速度a?5(m/s)，则惯性力

G1?ma

?80?5?400(N)

3. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k?0.1，

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Gm?k.G1

?0.1?400?40(N)

? 总受力Gq?G?G1?Gm Gq?G0

所以设计尺寸符合实际使用要求。

?800?400?40

?1240(N)4.3手臂横移气缸的尺寸设计与校核 4.3.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为l=150mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间?t=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力

G0?p.?R2``

?0.4?10?3.14?0.055

62(N) ?37994.3.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力

G?mg

?80?10?800(N)

3，设计加速度a?5(m/s)，则惯性力

G1?ma

?80?5?400(N)

4. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k?0.1，

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第四章 手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核

Gm?k.G1

?0.1?400?40(N)

? 总受力Gq?G?G1?Gm

?800?400?40?1240(N)

Gq?G0

所以设计尺寸符合实际使用要求。

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四川理工学院毕业设计（论文）

第五章 机械手的电气控制系统设计

5.1 气压传动系统工作原理图

图6-1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。他的气源是空气压缩机（排

气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换街头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，移控制气缸和手部动作

。

图5-1机械手气压系统原理图

序 号 1 2 3

型 号 规 格 QF-44 QSL-26-S1 名 称 手动截止阀 储气罐 分水滤气器 数 量 1 2 1 33

第五章 机械手的电气控制系统设计

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 QTY-20-S1 QTY-20-S1 YJ-1 Q24DH-10-S1 Q24D2H-10-S1 Q24D3H-10-S1 LI-25 减压阀 油雾器 压力继电器 二位五通电磁滑阀 二位五通电磁滑阀 二位五通电磁滑阀 单向节流阀 单向节流阀 快速排气阀 气液转换器 1 1 1 1 4 1 2 2 2 1 表5-1 气路元件表

各执行机构的调速.凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速.这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在搜近气缸处安装两个快速排气阀，可加快起动速度.也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降.其速度调节仍采用在电磁润排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阅的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换竹流闷或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径.是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流最.与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

5.2气压传动系统工作原理图的参数化绘制

在使用AutoCAD绘制气动原理图的时候.我们经常需要大量使用泵、阀等符号。例如.在本机械手的气压传动系统原理图中，频繁使用了气缸、二位五通换向阔等元件。在下面的过载保护回路中使用了气缸、二位四通换向阀、顺序阀、二位三通换向阀等元件。作为通用软件，AutoCAD未提供这些符号。若每次绘图时都重复绘制，非常麻烦，效率

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