机械手设计毕业设计机械手参考

摘要

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

目录

摘要............................................................................. I

1 绪言 (1)

1.1 机械手的概述 (1)

1.2 我国机械手的发展 (1)

1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 (3)

1.4 PLC概念的由来和产生 (5)

1.5 本课题设计要求 (8)

2 机械手的总体设计方案 (9)

2.1 机械手的系统工作原理及组成 (9)

2.2 机械手基本形式的选择 (10)

2.3 驱动机构的选择 (11)

2.4 机械手的技术参数列表 (11)

3 机械手的机械系统设计 (13)

3.1 机械手的运动概述 (13)

3.2 机器人的运动过程分析 (14)

4 机械手手部结构设计及计算 (15)

4.1 手部结构 (15)

4.2 手部结构设计及计算 (16)

4.3 夹紧气缸的设计 (18)

5 机械手手臂机构的设计 (24)

5.1 手臂的设计要求 (24)

5.2 伸缩气压缸的设计 (24)

5.3 导向装置 (29)

6 机械手腰部和基座结构设计及计算 (30)

6.1 结构设计 (30)

6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 (30)

6.3 导向装置 (34)

6.4 平衡装置 (34)

6.5 基座结构设计 (35)

7 气动系统设计 (38)

7.1 气压传动系统工作原理图 (38)

8 机械手的PLC控制系统设计 (40)

8.1 可编程序控制器的选择及工作过程 (40)

8.2 可编程序控制器的使用步骤 (41)

8.3 机械手可编程序控制器控制方案 (41)

9 总结 (55)

参考文献 (56)

1 绪言

1.1 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，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。

1.2 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%）。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－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；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机械手的发展[2]。

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、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。

1.3 气动机械手的应用现状及发展前景

1.3.1 气动技术及气动机械手的发展过程

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∶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%以上, 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与控制的关键技术之一。

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Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机械手——“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。

1.3.2 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般气爪很难抓起的显像管、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。

此外, 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]。

1.3.3 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。

1.4 PLC概念的由来和产生

1.4.1 PLC的产生

早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，从而被称为可编程逻缉控制器(Pro-grammable Logic Controller)，简称PLC。

随着微电子技术和微计算机技术的发展，可编程控制器不仅可以实现逻辑控制．还能实现模拟量、运动和过程的控制以及数据处理及通信。美国电气制造商协会(NEKA)经过4年的调查工作，于]980年正式将可编程控制器命名为PC(Programmable controller）。但是为了与个人计算机Pc相区别，也将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程控制器是—种带有指令存储器、数字的或模拟的输入／输出接口：以位运算为主，

能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。

1982年，国际电电工委员会颁布了PLC标准草案第1稿，1985年提交了第2稍．并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟量的输入和输出，控制各种类型的生产机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。，”

上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术．用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简珍易懂、操作简便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。PLC是是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备，具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点

1.4.2 PLC的发展

1．早期的PLC(20世纪60年代来至20世纪70年代中期)

一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC主要是作为继电器控制装置的替代物而出现的．其主要功能是执行原件由继电器完成的顺序控制、定时等功能，将继电器的“硬接线’，控制方式变为“软接线”方式。

早期的PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件相中小规模集成电路．存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰能力。

在软件编程方面，采用了广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式，即梯形图。因此，早期的LC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故降指示、能重复使用等。梯形图作为PLC特有的编程语言一直沿用至今。

2．中期的PLC(20世纪70年代个期至80年代中、后期)

20世纪70年代初期．出现了微处理器．由于体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的小央处理单元(CPU)，使PLC的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。

中期的PLC在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟且模块、远程I/O模块和各种其他特殊功能的模块；扩大了存储器的容量，增加了各种逻辑线明的数量；还提供了一定数量的数据存储器，使PLC应用范围扩大。

征软件力方面，除了保持原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，中期的PLC还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、白诊断等功能，指令系统大为丰富，系统可

靠性也得到了提高。

3,近期的PLC（20世纪80年代中、后期至今)

进入20世纪80年代中、后期，由于放大规模集成电路技术的迅速发展．微处理器的市场价格大幅度下跌．使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，备制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得LC在软、硬件功能上都发生了巨大变化。

现代PLC不仅完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制，还具有很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力，同时PLC的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。在发达的工业化国家，现代PLC已经广泛应用在所靳的工业部门。

1.4.3 PLC的现状和发展趋势

白从美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC。20世纪70年代中期在PLC引入了微机技术、使PLC的功能不断增强，质量不断的提高．应用日益广泛。目前PLC己广泛应用于汽车制造，石油，化工，冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制．有人认为PLC已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。据资料介绍．美国一家公司曾经对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业400多个工厂企业进行凋查的结果表明，PLC的需求占各类自动化仪表或自动化控制设备之首。有82％的厂家使用PLC。

1971年日本从美国引进PLC技术，很快就研制出日本第一台DSC-8型PLC，早在1984 年日本就有30多个PLC的生产厂家，产品达60种以上。西欧1973年已研制出它们的第一台PLC。并且发展很快，年销售增产率20％以上。目前世界上众多PLC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国A-B公司，哥德公司，德州仪器公司，通用电气公司，德国的西门子公司，日本的三菱公司，东芝公司，富士公司和欧姆龙公司等。PLC技术已成为工业自动化四大技术（PLC技术，数控技术，机器人，计算机辅助设计和分析）支柱之一。

我国研制与应用PLC起步较晚，1973年开始研制，1977年开始应用。20世纪80年代初以前发展较慢。20世纪80年代随着成套设备或专业设备的引进了不少PLC，例如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的PLC，二期工程将使用更多的PLC。进几年来国外PLC产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收PLC技术的基础上仿制或研制了PLC产品。20世纪80年代中后期，我郭开发应用PLC技术发展迅速．有资料介绍东风汽车公司装备系统从1986起，全面采用PLC对老设备进行更新改造，截止1991年止一共改造设备1000多台，并取得了明显的经济效益。1995年广州第二电梯厂，尾巴PLC成功的应用于技术要求更加复杂的高层电梯控制上，并已投入批量生产。广东佛山市中联自

动控制工程公司．近几年来已为多个厂家设计制造了PLC控制装置几十套，成功应用于、陶瓷窑炉瓷砖输送线等生产线和其他自动控制生产设备上。从近几年召开的学术会议及有关文献介绍可见．我国研制尤其是应用PLC技术日益广泛，更加成熟。

随着PLC技术的推光和应用,PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。

PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC向多功能、大容量、智能化、网络化发展．使之能与计算机组成集成按制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制o PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上．产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。

另外，PLC在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的PLC上得到移植。除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高。

总之，PLC的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强。

1.5 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，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

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

2.1 机械手的系统工作原理及组成

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[6]。

（二）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[5]。

（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般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。

2.2 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。

2.3 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种方式:气动方式,液压方式,电驱动方式[7]。

（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

2.4.1 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。

2.4.2 设计技术参数:

1. 机械手最大抓重: 1kg

2. 工件尺寸：直径约1.5～2cm

3. 自由度数: 3个自由度

4. 坐标型式: 圆柱坐标

5. 手指开合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）

6. 支座旋转角度: 90°（最大速度: 90度每秒）

7. 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

8. 机械手（重复）定位精度：mm

5.0

3 机械手的机械系统设计

3.1 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。

图3.1 机械手的机构简图

（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。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。

3.2 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位工步一

旋转至B位工步二

手臂下降工步三

手臂伸出工步四

夹紧工件工步五

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

手臂上升工步十一

实现运动过程中的各工步是由机械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]。

4 机械手手部结构设计及计算

4.1 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。

4.1.1 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。

4.1.2 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，故手指形状设计成V 型。

4.2 手部结构设计及计算

本课题气动机械手的手部结构设计如图4.1所示：

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 1202=?，mm R mm b 5.1230=>=，摩擦系数为25.0f =。

（1）根据手爪类别,计算夹紧力。

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：

)(sin 2)(N S a g m F G ???+=

αμ

（4-1） 式中， m -工件质量，kg ；

g -重力加速度，2/s m ；

a -动态运动时产生的加速度，2/s m ；

S -安全系数；

α-V 型手爪张开的角度， ；

μ-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

μ=0.25

所以

)(sin 2)(N S a g m F G ???+=αμ

=25.028.91???5.260sin ?

N 43.42=N 45≈

（2）根据手部结构的传动示意图4-1，其驱动力为:

N R

b F 2= (4-2) 所以

R b F 2=N )(216455

.12302N =??= （3）实际驱动力: η21K K F F ≥实际 (4-3)

因为传力机构为齿轮齿条传动，故取94.0=η，并取5.11=K 。若被抓取工件的为匀速取0=a 时，则:112=+=g

a K )(345)(68.34494

.015.1216N N F ≈=??=实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N 345。