氣動機械手的設計

1、題目：氣動機械手的設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化學生： （簽名）_指導教師： （簽名）_摘 要氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文主要進行了氣動機械手的總體結構設計和氣動設計。機械手的機械結構由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得

2、必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。關鍵詞：氣動機械手；氣缸；氣動回路。Subject: The design of pneumatic manipulator.AbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace th

3、e 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 pne

4、umatic manipulator the overall design, and pneumatic design. 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

5、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 word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumat

6、ic loop.目 錄1 緒論11.1 機械手簡史11.2 機械手的分類31.3 機械手的組成61.4 應用機械手的意義82 機械手總體設計方案和氣動回路的設計102.1 機械手的運動規(guī)劃102.2 機械手基本形式的選擇122.3 機械手的主要部件及運動132.4 驅動機構的選擇132.5 機械手的技術參數(shù)列表132.6 氣動回路的設計143 氣動機械手的機械結構設計153.1機械手末端執(zhí)行器的設計153.1.1 末端執(zhí)行器的概述153.1.2 末端執(zhí)行器的運動和驅動方式163.1.3 末端執(zhí)行器的典型結構163.1.4 末端執(zhí)行器的具體設計173.2機械手手臂的設計193.2.1 機械手手臂

7、的設計要求193.2.2 機械手手臂的具體設計方案203.2.3 伸縮手臂的設計213.2.4 升降手臂的設計243.2.5 回轉臂設計264 結論30致謝31參考文獻3233- 1 緒論機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。不論是傳統(tǒng)產業(yè)，還是新興產業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設

8、備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大

9、的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.1 機械手簡史現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教

10、型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年，美國Unima

11、te公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構

12、和程序控制。瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1976年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截

13、止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexibl

14、e Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。1.2 機械手的分類目前對機械手還沒有統(tǒng)一的分類標準。按照不同的分類方式可以把機械手分成多種類型。1.按驅動方式分類按驅動裝置的動力源，機械手可分為以下的幾種。（1）液壓式機械手。這種機械手的驅動系統(tǒng)通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機器人通常具有很大的抓舉能力并且結構緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。（2）氣壓式機械手。其驅動系統(tǒng)通

15、常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。特點是氣源方便，動作迅速，結構簡單、造價較低、維修方便，但難于進行速度控制，并因氣壓不能太高，固抓舉能力較小。（3）電動式機械手。電力驅動是目前機械手使用的最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構（如諧波減速機構、論析減速機構、滾珠絲杠和多桿機構）。目前也有一些特制電機直接進行驅動，以簡化機構，提高控制精度。其他還有采用混合驅動的機械手，如液-氣混合驅動機械手或電-氣混合驅動機械手。2.按用途分

16、類機械手按用途可分為下列幾種。（1） 搬運機械手;（2） 噴涂機械手;（3） 焊接機械手;（4） 裝配機械手;（5） 其他用途的機械手。如航天用機械手，探海用機械手，以及排險作業(yè)機械手等。3.按操作機的位置機構類型和自由度數(shù)量分類操作機的位置機構是機械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)型機械手。a） 直角坐標型  b）圓柱坐標型  c）球坐標型  d）多關節(jié)型  e）平面關節(jié)型圖1-1工業(yè)機械手的基本結構形式操作機本身的自由度最能反應機器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求

17、，機械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機械手。4.按其他方法還可以分為（1）家務型機械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務活。（2）操作型機械手：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。（3）程控型機械手：按預先要求的順序及條件，依次控制機械手的機械動作。（4）示教再現(xiàn)型機械手：通過引導或其它方式，先教會機械手動作，輸入工作程序，機械手則自動重復進行作業(yè)。（5）數(shù)控型機械手：不必使機械手動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機械手根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。（6）感覺控制型機械手：利用傳感器獲取的信息控制機械手的動作。（7）適應控制型機械

18、手：能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。（8）學習控制型機械手：能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。（9）智能機械手：以人工智能決定其行動的機械手。1.3 機械手的組成工業(yè)機械手通常由執(zhí)行機構、驅動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機械手的典型結構，圖1-3為工業(yè)機械手的組成方框圖。 圖1-2工業(yè)機械手的典型結構 手部腕部臂部執(zhí)行機構腰部基座部（固定或移動） 工業(yè)機械手電、液或氣驅動裝置 驅動裝置 單關節(jié)伺服控制器 控制系統(tǒng)關節(jié)協(xié)調及其它信息交換計算機感覺裝置子視覺裝置子 智能系統(tǒng)語言識別裝置 圖1-3工業(yè)機械手的組成方框圖執(zhí)行機構（也稱

19、操作機）是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機械手直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預定姿態(tài)，是操作機的中結構最為復雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉部件，腰部的回轉運動加上臂部的平面運動，就能使腕部做空間運動。腰部是執(zhí)行結構的關鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機械手的定位精度有決定性的影響；基

20、座是整個機械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。工業(yè)機械手的驅動-傳動裝置包括驅動器和傳動機構兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅動器通常有電機（直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機）、液壓或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。控制系統(tǒng)一般有控制計算機和伺服控制器組成。控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學

21、計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。智能系統(tǒng)是目前機械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。1.4 應用機械手的意義隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)

22、等工作中也均有所應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：一、以提高生產過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產

23、應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。2 機械手總體設計方案和氣動回路的設計本課題是一個用于傳送帶上輕型平動搬運機械手的設計。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，以及氣動回路的設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務。2.1 機械手的運動規(guī)劃機械手運動規(guī)劃包括序列

24、規(guī)劃(又可稱為全局路徑規(guī)劃)，路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3個部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個從起始作業(yè)點開始，經過一系列作業(yè)點。再回到起始點的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機械手運動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補函數(shù)獲得路徑上的插補點，再通過求解運動學逆解轉換到關節(jié)空間(若插補在關節(jié)空間進行則無需轉換)，形成各關節(jié)的運動軌跡。序列規(guī)劃為機械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點是機械手為完成工作所必須達到的位置和姿態(tài)。機械手的一次作業(yè)任務往往有幾十個到上百個作業(yè)點，這些作業(yè)點的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制(即某幾個作業(yè)點之

25、間存在著固定的前后關系)，序列規(guī)劃的目標就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標準。當機械手在有障礙物的環(huán)境中運動時，為了從當前作業(yè)位置到達下一個位置，需要在機械手工作空間確定一條無碰撞的運動路徑，即這條路徑應處于機械手的自由空間中，因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。從上面的論述可以看出，機械手運動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。機械手運動規(guī)劃的算法建立在已有的

26、各種方法之上，下面簡要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法，以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測方法。1序列規(guī)劃 目前機械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段，由于各種作業(yè)任務的復雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機械手進行裝配，插孔，點焊的應用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉化為“旅行商問題”(TSP)來解決。即機械手從起始點開始，經過一系列作業(yè)點，并在各作業(yè)點停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點的時間最短規(guī)劃算法。旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關鍵。目前，旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括啟發(fā)式算法，模擬退火算法，遺傳算法等。其中啟發(fā)式

27、算法可以細分為環(huán)路擴充法和環(huán)路改進法，或是兩種方法的綜合，一般利用鄰接矩陣按照一定的規(guī)則變換來求解，計算量和求解結果都能滿足要求。2路徑規(guī)劃 機械手路徑規(guī)劃的目標是在兩個作業(yè)點之間生成一條無碰撞路徑。機械手路徑規(guī)劃算法主要有4類：C-空間法，人工勢力場法，假設-修正法，預處理-規(guī)劃算法。另外，遺傳算法、神經網絡算法等智能算法已經成為機器人路徑規(guī)劃的研究熱點和發(fā)展方向，這些算法在實際中都有初步的應用，取得了較好的規(guī)劃效果。3碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標是在起始點和目標點之間生成一條無碰撞路徑，這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關鍵上面提到的4種路徑規(guī)劃算法都需要進行碰撞檢測或需要計算機器人和障礙物

28、之間的距離。判斷兩個物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式，一是定性判斷。二是定量計算。定性判斷方法最主要有“包圍盒層次法”，其基本思路是用一個簡單的包圍盒將復雜的幾何形體圍住。當對兩個物體進行碰撞檢測時。首先檢測兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說明兩個物體未相交，否則再進一步對兩個物體做檢測。因為求包圍盒的交比求物體的交簡單很多，所以可以快速排除很多不相交的物體，從而加速了算法。對于復雜物體，可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結構，如二叉樹。在各種機器人路徑規(guī)劃算法中，往往需要以機器人和障礙物之間的距離及其關于機器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息，以加快規(guī)劃速度，因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有

29、無碰撞發(fā)生，還要計算機器人與障礙物之間的距離及其關于機器人形位的梯度。目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法。其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離、成長距離、收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實環(huán)境中，機器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體的組合。對一般凸幾何體如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。2.2 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)

30、圓柱坐標型機械手; (3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。圖2-1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。其工藝流程：機械手原位機械手下降機械手抓取并夾緊機械手上升機械手正轉機械手前伸機械手下降機械手松開機械手上升機械手后退機械手逆轉退至原位停止。圖2-1 機械手基本形式示意圖2.3 機械手的主要部件及運動在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計的機械手具有3個自由度：手臂伸縮；機身回轉；機身升降。本設計的機械手主要由

31、3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉。2.4 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動。2.5 機械手的技術參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機之間的

32、搬運二、設計技術參數(shù)：1、抓重：2Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù)：3個自由度3、坐標型式：圓柱坐標4、最大工作半徑：335mm5、機身最大中心高：415mm6、主要運動參數(shù)：手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：200mm/s機身升降行程：100mm 機身升降速度：100mm/s機身回轉范圍：0- 190° 機身回轉速度：60°/s2.6 氣動回路的設計機械手氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計的氣動回路圖如圖2-2所示。圖2-2 機械手氣動回

33、路圖本設計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設置一個單向節(jié)流閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產率。 3 氣動機械手的機械結構設計3.1機械手末端執(zhí)行器的設計3.1.1末端執(zhí)行器的概述末端執(zhí)行器是裝在機械手臂的末端處，用于機械手完成作業(yè)任務而專門設計的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機械手的用途密切相關，根據(jù)其用途，末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等種類。搬運用末端執(zhí)行器是指

34、各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。在設計機械手末端執(zhí)行器時，應注意以下問題；1.機械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機械手新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機械手的應用領域。2.機械手末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力和機械手容許的負荷力。因此，要求機械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。3.機械手末端執(zhí)行

35、器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。5.機械手末端執(zhí)行器

36、要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機械手執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。3.1.2末端執(zhí)行器的運動和驅動方式末端執(zhí)行器即機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種1.氣動驅動方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點

37、是抓取動作十分需要的。2.電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。3.液壓驅動方式 液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。3.1.3末端執(zhí)行器的典型結構1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手

38、爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。3.1.4末端執(zhí)行器的具體設計由于本設計所采用標準氣爪，不需要進行設計，直接選型即可。本設計要求機械手手爪的最大持重m=2Kg，根據(jù)具體的工作要求，選擇標準平行開閉型氣爪，其結構如圖3-1所示。當A口進氣B口排氣時，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2

39、繞杠桿軸8回轉，帶動兩個手指4通過一組鋼球3在導軌5上作向外直線運動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導軌不錯位。圖3-1平行開閉型氣爪結構原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠桿軸對夾持工件進行受力分析如圖3-2所示， 2個手指的總夾持力產生的摩擦力2µF必須大于夾持工件的重力mg，故應滿足 2µF>mg即 F>mg/2µ式中 µ摩擦系數(shù)，本設計的夾持輔助件材料為硬質橡膠，一般令µ=0.65；由此 F>mg/2µ=2×9.

40、8/(2×0.65)=15.1N 圖3-2 夾持工件受力示意圖根據(jù)計算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：MHZ-10D。表3-13.2機械手手臂的設計3.2.1 機械手手臂的設計要求手臂是機械手的主要部分，它的作用是支承手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和升降。手臂的伸縮運動由伸縮手臂完成，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，分別由回轉臂和升降手臂完成。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求

41、，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 在進行機械手手臂設計時，要遵循下述原則：1.應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。2.機械手手臂的結構尺寸應滿足機械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機械手手臂末端工作空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果

42、對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3.為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機械手手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機械手手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需

43、強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。4.機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。5.機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機械手手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機械手的手臂時，應盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。6.機械手手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。3.2.2機械手手臂的具體設計方案 常見的手臂結構

44、有以下幾種：（1）雙導桿手臂伸縮機構。（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層氣缸空心結構。（3）雙活塞桿氣缸結構。（4）活塞桿和齒輪齒條機構。在本氣動機械手中，直線和旋轉模塊均可采用氣缸驅動，氣動機械手所能執(zhí)行的運動示意圖如圖3-3所示。圖3-3 機械手運動示意圖將旋轉氣缸安裝在底板上，就可以實現(xiàn)擺動運動，使機械手向左或向右擺動。機械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運動和豎直升降運動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進行切換。根據(jù)機械手的運動功能，

45、可以將機械手手臂的設計分為三大部分：伸縮手臂的設計，實現(xiàn)機械手的水平伸縮運動；升降手臂的設計，完成機械手的豎直升降運動；回轉臂的設計，完成機械手的回轉運動。3.2.3伸縮手臂的設計伸縮手臂為機械手執(zhí)行水平伸縮運動的機構，它是連接機械手末端執(zhí)行器和豎直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運動。由于伸縮手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，在完全伸出時將承受較大彎矩，對伸縮手臂的設計應該保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產生的彎曲和扭轉力矩。伸縮手臂在進行運動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。伸縮手臂的導向裝置需根據(jù)伸縮

46、手臂的安裝形式、結構及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿。為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，伸縮手臂采用新薄型帶導桿氣缸（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉精度高，導向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。圖3-4 新薄型帶導桿氣缸根據(jù)本機械手的設計技術參數(shù)，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大橫向負載F=mg=3×9.8=29.4N。根據(jù)表3-2的數(shù)據(jù)，初步選定為缸徑為20mm型號為MGPL20200的氣缸作為機械手的

47、伸縮手臂。表3-2伸縮手臂作水平直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅動力應由摩擦阻力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應包括手臂與伸縮導軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。摩擦力的計算：不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。圖3-5是機械手的伸縮手臂受力示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮缸兩側。 圖3-5 伸縮手臂受力示意圖由于導

48、向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。在垂直方向，可近似認為 FN=G總=29.4N。導桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=µFN 其中 µ摩擦系數(shù)，氣缸導向桿的材料為鋼，取µ=0.2。 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算F摩=µFN =0.2×29.4=5.98N慣性力的計算：本設計要求手臂平動時V=200mm/s，在計算慣性力的時候，設置啟動時間=0.1s，啟動速度V=V=200mm/s。=6N氣缸所需的驅動力 F驅= F摩+ F慣=5.98+6=11.98N 氣缸的理論驅動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作

49、壓力（帕）。根據(jù)設計技術參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa代入數(shù)據(jù)進行計算得 F=1/4d2p=1/4×3.14×（0.01）2×0.5×106 =39.3N由計算的結果可知 F>F驅即氣缸提供的理論驅動力大于氣缸實際所需的驅動力，因此，伸縮手臂的設計符合設計要求。3.2.4 升降手臂的設計機械手升降手臂是直接支撐和驅動水平伸縮手臂的部件，實現(xiàn)機械手的豎直升降運動。這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。按照設計要求，機械手要實現(xiàn)豎直方向100mm的升降運動，實現(xiàn)該運動的機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，要

50、和回轉臂一起綜合考慮，分析。常用的機械手手臂結構有以下幾種：（1）回轉臂置于升降手臂之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是升降手臂在回轉臂上部，回轉臂需承受較大的壓力。（2）回轉臂置于升降手臂之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉臂與伸縮手臂一起升降，運動部件較大。（3）活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。經過綜合考慮，本設計選用回轉臂置于升降手臂之下的結構。豎直升降手臂是完成氣動機械手豎直方向運動的動力元件，由于它要承受伸縮手臂和重物的偏心負載，在選型時要求氣缸

51、能承受較大的偏心負載，另外為了減小氣缸活塞桿的彎曲變形程度，需加導桿機構。升降手臂的設計可以采用普通單桿直線伸縮氣缸，外加導向裝置。由于升降手臂位于回轉臂之上，外加的導向裝置必然會加大對回轉臂的壓力，導向裝置的安裝還必須和手臂保持一定的平行度精度，對設計要求較高。經查找資料，發(fā)現(xiàn)已經有帶導桿機構的標準氣缸，采用這種標準氣缸，既可滿足設計精度、簡化設計結構，又可以節(jié)約設計成本。本設計的升降手臂直接選用導臺式氣缸MGF系列，如圖3-6所示。該氣缸高度小，相對MGQ系列減小1525%，氣缸本身帶導桿裝置，不需要另外再設計導向機構，耐偏心負載（導桿直徑較大），氣缸本身附設令活塞桿不回轉裝置，采用最新的

52、T形槽，可安裝其它附件，磁性開關可安裝在氣缸的四側。 圖3-6 導臺式氣缸MGF系列根據(jù)前段部分的設計和機械手結構尺寸可知：最大抓重m1=2Kg；標準氣爪的材料為鋁合金，經查找資料得知其密度2=2.75×103Kg/m3，則標準氣爪的質量m2=2V22.75×103×0.016×0.057×0.0230.06Kg；伸縮手臂與標準氣爪的連接板材料為45鋼，其密度3=7.85×103Kg/m3 ，則連接板的質量m3=3V37.85×103×0.081×0.03×0.010.19Kg；另外伸縮手臂導桿

53、伸出件質量m4 0.5Kg。得出偏心負載的總質量m=m1+m2+m3+m4=2+0.06+0.19+0.5=2.75Kg，選型時要考慮一定的裕量，按m=3Kg，L=320mm選型，又已知機械手的升降速度為100mm/S。依據(jù)圖3-7，選擇的氣缸型號為MGF63100。 圖3-7導臺式氣缸MGF系列選型依據(jù)圖3.2.5 回轉臂的設計回轉臂位于機械手結構的最底端，它承擔著機械手的全部重量，因此對回轉臂的承載能力要求較高。又由于回轉臂要帶動整個機械手轉動，因此要求在回轉時要保證其平穩(wěn)性。按照設計要求，機械手要實現(xiàn)180°范圍內的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處和底座固定。在

54、本設計中的回轉臂直接選用擺臺（齒輪齒條式）MSQ系列，如圖3-8所示。此類型的回轉氣缸使用高精度滾珠軸承，故垂直及水平位置精度提高到±0.01mm；回轉臺型，工件安裝方便；滾動軸承設計，負載比CRQ系列大3至4倍；擺動順滑、準確；中空軸可用于引入電線或氣管；標準帶角度調整裝置，調節(jié)角度范圍大(0190°)；內置磁環(huán)，可安裝磁性開關。圖3-8 擺臺（齒輪齒條式）MSQ系列對擺臺進行受力分析如圖3-9所示，擺臺要承受以上部件對它的軸向負載F和偏心負載G總對它的產生的彎矩M。圖3-9 擺臺受力計算圖 當機械手豎直向下運動時，擺臺受到的軸向負載最大，它的大小由擺臺以上部件的總重力和

55、慣性力決定，即 F=F重+F慣式中 F重擺臺所要支撐的重力之和； F慣機械手在下降過程的慣性力。 擺臺支撐的部件包括豎直升降氣缸、水平伸縮氣缸、氣爪、夾持重物以及連接各個氣缸的連接板，前文已計算氣爪、夾持重物以及氣爪和水平伸縮氣缸之間的連接板，其總質量約為m3Kg。下面估算水平伸縮氣缸、豎直升降氣缸以及它們之間連接板的質量。水平伸縮氣缸、豎直升降氣缸和氣爪的制造材料是一樣的，都為鋁合金 ，其密度2=2.75×103Kg/m3；連接板的材料為45鋼，其密度3=7.85×103Kg/m3。水平伸縮氣缸的質量m伸縮=2V伸縮2.75×103×0.253×0.036×0.0832.08Kg，豎直升降氣缸的質量m升降=2V升降2.75×103×0.146×0.146×0.169.38Kg，連接板的質量m板=3V板7.85×103×0.16×0.16×0.012.01Kg，求得擺臺所要支撐的質量總和m總=m+m伸縮+m升降+2m板=3+2.08+9.38+2×2.01=18.48Kg，擺臺所要支撐的重力之和F重=m總g=18.48×9.8=181.10N。機械手在下降過程中慣性力的計算：本設計要求手臂升降時