气动机械手控制回路设计

六安职业技术学院

毕业设计

题目 气动机械手控制回路设计

机电工程 系 机电一体化技术 专业

班 级 0901班

学生姓名 李冬冬

指导教师 黄红兵

起迄日期 2011.5—2011.7

设计地点 工学楼

目 录

摘要……………………………………………………………….2

第一章 气动机械手简介……………………………………….. 3

1.1 气动机械手概述……………………………………………….3

1.2 机械手的组成………………………………………………….4

1.3机械手的分类…………………………………………………..4

1.4 国内外发展状况………………………………………………..5

第二章 气动机械手控制回路的设计方法和步骤…………… 8

2.1 气动控制系统………………………………………….........8

2.2气动机械手控制回路设计方法 …………….............................8

2.3气动机械手控制回路设计步棸…………………………………8

第三章 机械手控制回路设计………………………………… …10

3.1气动机械手结构示意图..............................................................10

3.2气动机械手系统工作流程图…………………………………...11

3.3气动机械手气动回路设计……………………………………...12 致谢…………………………………………………………………….14 参考文献………………………………………………………………15

【摘要】

机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。

【关键词】：机械手 气动控制回路 气动系统

气动机械手控制回路设计

学生姓名：李冬冬 系别:机电工程系 指导老师：黄红兵

第一章 气动机械手简介

1.1气动机械手概述

气动机械手由操作机(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。

1.2 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。

（1） 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。

(2)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。

(3)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。

(4)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.

1.3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。

（1）按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: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。

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；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，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。

(2)按控制方式分

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。

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。

1.4 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。

(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“十五”、“十一五”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”后期立于世界先进行列之中。

第二章 气动机械手控制回路设计方法及步骤

2.1 气动控制系统

气动控制系统是一种自动控制系统。这种控制系统是由执行元件执行一动作后，由行程发信器发出信号，此信号输入到逻辑控制回路，由其作出判断并发出有关直行信号，指挥执行元件执行下一个动作，此动作完成后，又发出新的信号，直到完成预定定控制为止。实际上，这是一种闭环控制系统。

2.2 气动机械手控制回路设计方法

（1）设计任务的分析。根据设计任务的具体性质确定该项目定目标。方案设计要在分析阶段之后方可进行。为了确定每一个工作步骤定内容、时间、任务落实等也可以先设计整个项目计划定流程图，然后再设计控制回路及与其他硬件的连接。

（2）设计内容。首先是总的系统的设计，一般是确定系统硬件和控制手段。在这一阶段也可以考虑选择其他多种方案，根据总的设计方案，设计控制回路定内容，一定要和系统总体构成有机的整体。

这一阶段的设计包括以下几个方面：1、气动控制系统的设计；2、其他结构部分的设计；3、确定设计是否符合要求；4、制定项目进度表5、说明文件的制定，初始资料定收集准备；6、成本核算。

（3）实施方案。根据所设计的机械手功能和系统整体的性能开始设计具体的气动控制回路；计算控制回路所需压力大小，合理的选控制回路的动力元件、执行元件、控制元件及其辅助元件等，在系统设计的论证上要认真仔细的核对数据，充分做好设计前的准备工作；在设计多缸单往复行程气动控制回路时，各缸动作的先后次序要明确，这是十分重要的，所有气缸的运动都要用位移——步骤图来表示，有关启动顺序的条件也应加入。

2.3 气动机械手控制回路设计步骤

（1）明确系统的工作任务和设计要求

1）运动装太的要求，直线运动的速度、行程，旋转运动的转、转角以及动作顺序等。

2）明确控制回路所控制的输出力或力矩的要求，即力或力矩的大小。

3）明确控制回路所工作的环境，如工作场地的温度、湿度、震动、冲击、粉尘等。

4）要明确气动控制系统与机械、电气及液压系统的配合关系。

5）明确其他要求：如价格、外形尺寸及美学设计要求等。

路设计步骤如下：

（2）画气动机械手工作流程图；列出动作顺序，根据机械手动作顺序一步步画出工作流程图，流程图结构要简单，便于控制回路的设计。

（3）画出气动机械手控制回路图；选择控制元件的类型及数目，确定气动控制方式和安全保护回路，气动控制回路图是气动控制回路中的核心部分，一个气动控制回路的好坏直接影响着机械手的动作执行。·

第三章 气动机械手控制回路设计

3.1 气动机械手结构示意图分析

在某些高温、粉尘及噪声等环境恶劣的场合，用气动机械手替代手工作业是工业自动化发展的一个方向。本设计介绍气控机械手模拟人手动作，按预先给定的程序，轨迹和工艺要求实现自动抓取、搬运，完成工作的上料或下料。为了完成这些动作，系统共有四个气缸，可在三个坐标内工作，其结构示意图如下：

图1—5为气动机械手结构示意图

图1—5

其中Ａ缸为抓取机构的松紧缸，Ａ缸活塞后退时抓紧工件，Ａ缸活塞前进时松开工件。Ｂ缸为长臂伸缩缸。3缸为机械手升降缸。Ｄ缸为立柱回转缸，该气缸为齿轮齿条缸，把活塞的直线运动转换为立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转。

对机械手的控制要求：手动阀启动后，程序控制从第一个节拍连续运转到最后一个节拍，将机械手右下方的工件搬到左上方的位置上去。系统的初始状态，如表3—1所示。

表3—1气动机械手系统的初始状态

执行元件 初始状态 功能

Ａ气缸 缩回位置 抓紧工件

B气缸 缩回位置 横向伸缩

C气缸 下端位置 上下动作

D气缸 有段位置 左右旋转

3.2气动机械手系统工作流程图设计

根据气动机械手的功能，设计其工作流程图，画气动机械手工作流程图；列出动作顺序，根据机械手动作顺序一步步画出工作流程图，流程图结构要简单，便于控制回路的设计。气动机械手系统工作流程图设计如下:图3—2

图3—2 气动机械手工作流程图

3.3气动机械手气动回路设计

根据气动机械手动作顺序，设计并画出气动机械手控制回路图；选择控制元件的类型及数目，确定气动控制方式和安全保护回路，气动控制回路图是气动控制回路中的核心部分，一个气动控制回路的好坏直接影响着机械手的动作执行。设计图如下：图3

图3

本设计采用的是气动控制原理，用气压传动控制机械手臂的运动。其中，气缸由电磁换向阀控制，从而实现机械手的操作。如图三。

当Y1电磁铁Y1b端通电时，电磁换向阀是右位状态，缸体缩回，即机械手臂缩回；当Y1电磁铁Y1a端通电时，电磁换向阀是左位状态，缸体伸出，即机械手臂伸出。

当Y2电磁铁Y2b端通电时，电磁换向阀是右位状态，缸体缩回，即机械手臂上升；当Y2电磁铁Y2a端通电时，电磁换向阀是左位状态，缸体下降，即机械手臂下降。

当Y3电磁铁Y3b端通电时，电磁换向阀是右位状态，缸体顺时针旋转，即机械手臂顺时针旋转；当Y3电磁铁Y3A端通电时，电磁换向阀是左位状态，缸体逆时针旋转，即机械手臂逆时针旋转。

当Y4电磁铁Y4b端通电时，电磁换向阀是右位状态，缸体顺时针旋转，即机械手腕顺时针旋转；当Y4电磁铁Y4A端通电时，电磁换向阀是左位状态，缸体逆时针旋转，即机械手腕逆时针旋转。

当Y5电磁铁Y5b端通电时，电磁换

向阀是右位状态，缸体缩回，即机械手夹持器抓紧状态；当Y5电磁铁Y5a端通电时，电磁换向阀是左位状态，缸体伸出，即机械手夹持器松开状态。

致 谢

我是机电一体化技术0901班的李冬冬，非常感谢黄红兵老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，我首先向我的指导老师黄老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！在这期间，导师在学业上严格要求，精心指导，在生活上给了我无微不至的关怀，给了我人生的启迪，使我在顺利的完成学业阶段的学业的同时，也学到了很多做人的道理，明确了人生目标。导师严谨的治学态度，渊博的学识，实事求是的作风，平易近人、宽以待人和豁达的胸怀，深深感染着我，使我深受启发，必将终生受益。

在日常生活和学习中，机电工程学院的各位老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢六安职业技术学院给我提供的学习环境。

机电一体化技术0901班 李冬冬

2011年7月1日

参考文献

【1.】徐从清. 《液压与气动技术》 西北工业大学出版社 2006

【2】.哈尔滨工业大学 《气动技术》 科学技术出版社 2004

【3】.彭小兰 高靖 《机械制图与计算机绘图》 江西高校出版社 2005

【4】肖金平 蔡厚平 《机械设计基础》 江西高校出版社 2005

【5.】左健民 《液压与气压传动》 机械工业出版社 2007

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ztgj.html