摘要
针对数控车床设计的一种套类零件自动上下料机构，实现了坯料的抓取、自动定位、夹紧以及工件的回放。该机构主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手，动力及控制系统组成。零件的自动定位、夹紧由弹簧涨胎心轴实现，涨胎心轴是以工件的内孔表面定位，由气缸驱动弹性筒夹向外扩涨，实现工件的定位和夹紧的。坯料、工件的拾取、回放是由单臂形式的机械手通过伸缩、旋转以及俯仰等运动实现的，这些运动均由气缸驱动获得。
本设计中，为实现工件的自动上下料，单臂机械手的运动与涨胎心轴的张合需进行紧密配合。考虑到所夹持工件的实际尺寸、质量等因素，本机构采用气动夹具、电气控制实现了坯料和工件的拾取、安装、回放过程的自动完成。
本文对气动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。同时，设计了机械手的夹持式手部结构。
关键词：自动上下料；气动机械手；气动夹具；套类零件
I
Abstract
Thi s paper is aim ed at desi gn i ng a sl eeve part s aut om ati c bai ti ng a genci es for a C NC l athe.It s func t ion is process i ng the crawls, aut om ati c pos it ioning and cl amping of t he workpi ece.The aut om at i c bait i ng agenci es m ainl y con si st of t he autom at i c fixt ure, the m ani pul at o r for pi ck ing up t he workpi ece and bi ll et s and t he dri ve and cont rol s ys t em.Am ong t hem,the aut om at i c pos it i oni ng and cl am p ing of t he s ets part s i s achi eve d b y t he axi s fet al heart rat e ris ing t o t he workpi ece cent eri ng hol e.W hen cl am pi ng t he workpi ece,fl ex ibl e tube fol der can cent er and cl am p t he c yli ndri cal hol e through t he expansi on and i n fl a ti on;bl ank gras p ing of t he workpi ece and the i nt ervals are achi eve d b y t he m anipul at or arm b y st ret chi ng and rot at ing.In t h e i ssue,i t i s neces s ar y for t he movem ent s of t he m anipul at or arm and the autom at i cal fixt ure Zhang t o requi re t he coordi nat i on.Taki ng int o account that t he actual workpi ece siz e,t he quali t y and t he vari ous feat ures of t he dri ven approach t o the s yst em,we deci de to adopt t he aerod ynam i c cont rol,us i ng com pressed ai r t o achi eve t he movem ent s of t he cl am pi ng fixt ure and m ani pul at or.
Keyw ord s:Aut om at i c b ait i ng;P neum ati c m ani pul at or;P neum ati c fixt ure;sl eeve part s
II
目录
摘要............................................................ 错误！未定义书签。Abst ract....................................................... 错误！未定义书签。第1章概述 (1)
1.1 气动四自由度机械手结构设计的背景与目的 (1)
1.1.1 数控机床 (1)
1.2 气动四自由度机械手结构设计的意义 (4)
第2章总体方案设计 (5)
2.1 方案设计概述 (5)
2.1.1 方案设计 (5)
2.1.1.1明确设计要求 (5)
2.1.1.2功能分析 (5)
2.1.1.3功能原理设计 (5)
2.1.2 技术设计 (5)
2.1.2.1确定基本技术参数 (6)
2.1.2.2机械结构设计 (6)
2.2 驱动方式的确定 (6)
2.2.1 电动机驱动 (7)
2.2.2 气压驱动 (7)
2.3本章小结 (9)
第3章气缸夹紧设计 (10)
3.1夹紧力的确定 (10)
3.2夹紧气缸的设计计算 (10)
3.3本章小结 (12)
第4章机械手设计 (14)
4.1 运动分析 (14)
4.2 结构设计 (16)
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4.2.1 手部设计 (16)
4.2.1.1概述 (16)
4.2.1.2机械式手抓设计 (16)
4.2.1.3夹紧气缸的设计计算 (17)
4.2.2 臂部设计 (19)
4.2.2.1臂部设计的基本要求 (19)
4.2.2.2手臂直线运动机构 (20)
4.2.2.3手臂伸缩运动气缸的设计计算 (20)
4.2.3 机身设计 (22)
4.2.3.1概述 (22)
4.2.3.2臂部俯仰运动气缸的设计计算 (23)
4.2.3.3回转运动气动装置的设计计算 (25)
4.3 本章小结 (27)
结论 (28)
致谢 (29)
附录1 (32)
附录2 (34)
第1章概述
1.1气动四自由度机械手结构设计的背景与目的
1.1.1 数控机床
数控机床是一种以数字量作为指令信息、形式，通过电子计算机或专用计算机装置控制的机床，是在机电一体化技术的基础上发展起来的一种灵活而高效的自动化机床，在机械行业中得到了日益广泛的应用，因为它具有如下的特点：
（1）适应性强
适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。在数控机床上进行产品加工，当产品改变时，仅仅需要改变数控设备的输入程序（即工作程序，又称用户软件）就能适应新产品的生产需要，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，而且生产过程是自动完成的。这一点不仅满足了当前产品更新、更快的市场竞争需要，而且较好的解决了单件、小批量、多变产品的自动化生产问题。适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的主要原因。
（2）能实现复杂的运动
普通机床难以实现或根本无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、汽轮机叶片之类的空间曲面;而数控机床则可以实现几乎是任意轨迹运动和任何形状的空间曲面，适用于复杂异型零件的加工。
（3）加工精度高，产品质量稳定
数控机床是按照预定程序自动工作的，一般情况下工作过程不需要人工干预，这就消除了操作者认为生产的误差。在设计制造设备主机时，通常采取了许多措施，使数控设备的机械部分达到较高的精度。数控装置的脉冲当量可达0.01—0.00002m m, 同时，可以通过实现检测反馈修正误差或补偿来获得更高的精度。因此，数控机床可以获得比机床本身精度更高的加工精度。尤其
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提高了同批零件生产的一致性，使产品质量获得稳定的控制。
（4）生产效率高
数控机床比普通机床的生产效率能高出许多倍。尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可提高十几倍甚至几十倍。其原因如下：
①数控机床具有较高的刚性，可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中的切削时间。
②具有自动变速、自动换刀河其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验和测量，使辅助时间大为缩短。
③工序集中、一机多用的数控加工中心，在一次装夹工件后几乎可以完成零件的全部加工，这样不仅可减少装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。
④减轻劳动强度，改善劳动条件
数控机床的工作是按预先编制好的加工程序自动连续完成的，操作者除输入加工程序及相关的操作之外，不需进行繁重的重复手工操作，劳动条件和劳动强度大为改善。
⑤有利于科学的生产管理
采用数控机床能准确地计算产品生产工时，并有效地建华检验、工夹具和半成品的管理工作。数控机床采用标准的信息代码输入，这样有利于于计算机连接，构成由计算机控制和管理的生产系统，实现制造和生产管理的自动化。
数控机床与普通机床相比具有许多优点，其应用范围正在不断扩大，但目前它并不能完全替代普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。在实际选用时，一定要充分考虑其技术经济效益。数控机床最适合加工具有以下特点的零件：
（1）多品种小批量生产的零件。
（2）形状结构比较复杂的零件。
（3）需要频繁改型的零件。
（4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。
（5）需要最短周期制作的急需零件。
（6）批量较大精度要求很高的零件。
由于数控机床的自动化程度、生产效率都很高，可最大限度地减小操作工人。因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。
车床主要是用于车削加工，在机床上一般可以加工各种回转
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表面，如内外圆柱面、圆锥面、成形回转表面及螺纹表面等。在数控车床上还可以加工高精度的曲面与端面螺纹。用的刀具主要是车刀、各种孔加工工具（钻头、铰刀、镗刀等）及螺纹刀具。车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面。数控车床加工零件的尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度可达 1.6μm以下。
数控车床的种类很多，各种卧式车床都有数控化的。数控车床主要可分为数控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床（数控凸轮车床、数控曲轴车床、数控丝杠车床等）；或分为普通数控车床和车削加工中心。
数控车床与卧式车床相比，有以下几个特点：
（1）高精度数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。
（2）高效率随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速、传动功率不断提高，使得新型数控车床的空转动时间大为缩短。其加工效率比卧式车床高2~5倍。加工零件形状越复杂，越体现出数控车床的高效率加工特点。
（3）高柔性数控车床具有高柔性，适应70%以上的多品种、小批量零件的自动加工。
（4）高可靠性随着数控系统的性能提高，数控车床的无故障工作时间迅速提高。
（5）工艺能力强数控车床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成零件全部或大部分工序。
（6）模块化设计数控车床的设计多采用模块化原则设计。
现在，数控车床技术还在不断向前发展着。随着数控系统，机床结构和刀具材料的技术发展，数控车床将向高速化发展，进一步提高主轴转速、刀具快速移动以及转位换刀速度；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向全自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展。同时，数控车床也向简易型发展。
随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多重体力劳动必将有机器代替，这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。随着机械制造业的日益发展和数控车床的普及使用，工件的装夹往往成为制约提高加工效率的主要原因，而普通车床常用的夹紧送料方式是采用手工送料，利用装在机床
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主轴法兰上的三爪卡盘或四爪卡盘进行夹紧工件，装夹时间较长，工人的劳动强度大。对于数控车床而言，人工装夹时间往往比加工时间还长，为此，在数控车床上曾开发出液压或电机夹紧送料装置。液压夹紧装置虽然体积小，但必须每台车床配备一套液压站，所以其成本较高，且送料机构采用重物提拉方法，结构大，占用地方多，另外液压站使用的介质为液压油，维护保养时易污染环境等。电机夹紧装置的体积较液压夹紧装置稍微大些，较经济，但一般只有夹紧装置而只有送料装置，使数控车床无法实现自动连续工作，从而降低了数控车床的加工效率。
套类零件自动上下料机构主要包括自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手，动力及控制系统。在数控车床加工过程中，该机构用于实现坯料的抓取、自动定位夹紧以及工件的回放等功能，可以实现数控车床的自动连续工作，操作简便，大幅度提高了工作效率和加工的自动化程度。
1.2 气动四自由度机械手结构设计的意义
该机械手利用压缩空气作为动力源，取之不尽，用之不竭，可以节约能源，气体不易堵塞流动通道，用过后可随时排入，不污染环境，成本较低，维护保养容易气动动作迅速，反应快，气动机械手与气动夹具相互配合工作，能够实现数控车床的自动连续工作，从而提高了加工成本，降低了工人的劳动强度。
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第2章总体方案设计
2.1 方案设计概述
机械产品的设计过程由三个相互影响的步骤组成，称为方案设计阶段（或称概念设计阶段）、技术设计阶段（或称初步设计阶段）和施工设计阶段（或称详细设计阶段）。
2.1.1 方案设计
方案设计阶段的主要任务是根据计划任务书，在经调研进一步确定设计要求的基础上，通过创造性思维和试验研究，，克服技术难关，经过分析、综合与技术经济评价，使构思和目标完善化，从而确定出产品的工作原理与总体设计方案。2.1.1.1 明确设计要求
设计要求主要是功能要求、使用性能要求、工况适应性要求、宜人性要求、外观要求、环境适应性要求、工艺性要求、法规与标准化要求、经济性要求等等。
2.1.1.2 功能分析
技术系统是由构造体系和功能体系构成的。建立构造体系是为了实现功能要求。对技术系统从功能体系入手进行分析，有利于摆脱现有结构的束缚，形成新的更好的方案。功能分析的目标是通过分析，建立对象系统的功能结构，通过局部功能的联系，实现系统的总功能。功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理设计方案的过程。这个过程往往不是一次能够完成的，而是随着设计工作的深入进行不断修改、完善。
2.1.1.3 功能原理设计
此阶段的落脚点是为不同的功能、不同的工作原理、不同的运动规律匹配不同的结构，这就是通常所说的型、数综合，而且通过上述的排列组合，会出现非常多的功能原理解，产生很多的运动方案，这就为优选方案提供了基础。
2.1.2 技术设计
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技术设计的任务是在功能原理设计所取得的优化方案的基础上，使原理构思转化为具有实用水平的具体结构，其中包括确定基本技术参数，进行总体布局设计和结构装配图设计。对所设计的产品应满足如下要求：制造和维护经济、操纵方便安全、可靠性高、使用寿命合理。为了达到这些要求，零件应满足强度、刚度、抗振性、耐磨性、耐热性和工艺性等原则。
2.1.2.1 确定基本技术参数
（1）主要尺寸参数工作尺寸标志着机械的工作范围和主要性能，一般包括工作尺寸、外形尺寸、工作装置尺寸等。应根据产品需满足的工艺要求及尺寸范围来确定。
（2）质量参数包括整机质量、各主要部件质量、质心位置等。
（3）功率参数（包括运动参数、动力参数）机械的运动参数有移动速度、加速度和调速范围等，主要取决于机器要实现的工艺要求。机器的动力参数包括承载力、原动机功率。工作装置是载荷直接作用的构件，力参数是其设计计算的依据，也是机械性能的主要标志。原动机功率反映了机械的动力级别，它与其他参数有函数关系，常是机械分级的标志，也是机械中各零部件的尺寸设计计算的依据。
（4）技术经济指标包括机械的生产率，机械的精度、效率、寿命、成本等。技术经济指标是评价机械设备性能优劣的主要依据，也是设计应达到的基本要求。
2.1.2.2 机械结构设计
机械结构设计的任务就是依据所确定的原理方案，在总体设计的基础上给出具体的结构图，结构设计包括机器的总体结构设计和零部件的结构设计。
结构设计的基本原则是明确（功能明确、工作原理明确、使用工况及应力状态明确）、简单、安全（结构构件安全、功能安全、运行安全、工作安全和环境安全）。另外，结构设计原理提供了用具体结构实现预定功能的策略和方法。
2.2 驱动方式的确定
驱动系统是带动操作机各运动副的动力源，常用的驱动方式包括电动机驱动、液压驱动和气压驱动三种。
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2.2.1 电动机驱动
电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动（或直接）驱动操作机构以获得各种运动。其应用类型大致可分为普通交、直流电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。
普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。
电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、起动力矩大等优点而被广泛选用。
2.2.2 气压驱动
气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的。气压传递的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转化为压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。
气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显现出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动传动相比有以下特点。
气压传动的优点：
（1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通道，用过后可将其随时排入大气中，不污染环境；
（2）空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；
（3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动
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阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送；
（4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.02～0.3s就可达到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为1～5m/s，而气体的流速最小也大于10m/s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速；
（5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；
（6）气动元件可靠性高、寿命长。电气元件可运行百万次，而气动元件可运行2000～4000万次；
（7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越；
（8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。
气压传动的不足之处：
（1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大；
（2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于10～40kN；
（3）气动装置中的信号传递速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程中的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；
（4）噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。
在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。其中不少气动系统应用于机器人，多用于开关控制和顺序控制的机器人。气动执行元件既有直线气缸也有旋转气动马达。
气动系统的工作介质是压缩空气，气动控制阀简单、便宜，而且工作压力也低的多。多数气动驱动用来完成挡块间的运动。气动系统的主要优点之一就是操作简便、易于编程，所以可以完成大量的点位搬运操作的任务。但是用气压伺服实现高精度很困难。不过在能满足精度的场合，气压驱动在所有的机器人及机械
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手中是重量最轻的，成本也最低。安装在多路接头上的电磁阀控制通向各个气动元件的气流量。
综上所述，并结合具体设计的上下料机构抓取工件的尺寸、大小等，本设计最终采用气压驱动。
2.3 本章小结
随着机械制造业的发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。为了更有效地提高产品质量、生产效率，降低生产成本，改善工人的劳动条件，数控机床的使用越来越普遍，因而对自动上下料机构的设计也就变得越来越重要。
本设计中的自动上下料机构的工作对象是套类零件，主要由自动安装夹具，坯料、工件拾取机械手和动力及控制系统组成。其中，自动安装夹具为自动定心夹紧的涨胎心轴，机械手是单臂式的，动力及控制采用气压驱动和电气控制。普通气缸驱动的机械手可实现柔性自动上下料，送料精度较高，能节约人力、降低加工成本。气动机械手与气动夹具相辅相成实现自动上下料，不但省事，减少投资，节约时间，而且工作可靠。
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第3章 夹紧气缸的设计
3.1 夹紧力的确定
（1）计算工件在车削时所受的切削分力Pz
根据相关资料，车削外圆时，计算F c 的经验公式如下：
Fc=c F C a p X f c f y F C K F C （3—1）
式中，c F C —与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数； a p —背吃刀量，m m ；
f —进给量，mm /r ；
x F C ，y F C —指数；
K F C —切削条件不同时的修正系数。
根据经验公式从有关资料中查出，用γo=15°，K r =75°的硬质合金车刀车削结构钢件外圆时，
c F C =1609，x F C =1，y F C =0.84，a p =1mm ，f=0.1m m/r
其中,指数x F C 比y F C 大，说明背吃刀量a p 对Fc 的影响比进给量f 对Fc 的影响大。
那么，Fc=1609×1×（0.1）0.84×1=232.57N
则，Pz =Fc=232.57N
（2）工件与心轴在轴向方向与圆周方向的摩擦系数为：f1=f2=0.2
（3）安全系数K=2.5
（4）为防止工件在车削时，在切削分力Pz 作用下打滑而转动所需的轴向拉力为：
(1(1520.20.03
KPzp Q tg f tg f d 2.5?232.57?0.06=α+)=?+0.2)=2720.78N ? （3—2） 3.2 夹紧气缸的设计计算
（1）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=3627.7N ，得：
活塞式气缸（双作用气缸）内径： 24 1.3Q Q D d p p π=
+≈η
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（3—3）
式中，p —气缸工作压力，P a ；
η—气缸的机械效率；
d —活塞杆直径,m m 。
代入数值得：
2720.781.387.540.6D mm 6=?=?10
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=100mm 。
（2）活塞杆直径的确定与验算
取活塞杆直径d=25m m ，按下式进行验算： [][]4 1.13p p
d πσσ≥=
（3—4）
式中，p —活塞杆承受的轴向力，N ；
[σ]—活塞杆材料的需用应力，N 。
代入数值，得
639741.139.355810
d mm ≥=?，成立。 故活塞杆直径满足强度要求。
（3）气缸筒壁厚的确定与验算
气缸内径确定后，根据机械设计手册，其壁厚选取为t =10m m,根据下式进行强度验算：
[]2pD t σ≥
（3—5） 式中，t —气缸筒的壁厚，m m ；
P —最高工作压力，P a ；
D —气缸筒内径，m m ；
[σ]—气缸筒材料的许用应力，P a 。
代入数值得
660.610100102310
t mm ??≥=??，成立。
故该缸筒壁厚满足强度要求。
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（4）气缸进排气口螺孔直径的确定
气缸进排气口螺孔的大小与空气消耗量（缸径、活塞杆直径、活塞的平均速度等）及供气压力均有关系，故难于准确计算。根据机械设计手册，按缸径查取。
根据D=100 mm ，查得，进排气口螺孔直径规格为d=M 14×1.5。
（5）活塞的厚度取决于密封圈的种类和排数。气缸筒与活塞、活塞杆与活塞、气缸筒与气缸盖、活塞杆与气缸盖之间均选用0形橡胶密封圈，其沟槽尺寸皆为标准值。
（6）连接螺栓直径的确定与验算
根据螺栓材料与载荷，初定螺栓直径d=10m m ，按下式进行验算：
2b Ap d xn σ≥
（3—6） 式中，A —气缸的有效截面积，m m 2；
P —气缸的工作压力，P a ；
σb —螺栓材料的抗拉强度，Pa ；
x —需用应力与抗拉强度之比，取
[]18b x σσ==； n —螺栓数目。
代入数值，得：
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821000.6104 6.9141048
d mm π?
???≥=???，成立。 故螺栓直径符合要求。
3.3 本章小结
车床夹具装在机床主轴上并带动工件旋转，加工回转面、端面等。以外圆定位的车床夹具，如卡盘、卡头；以内孔定位的车床夹具，如各类心轴；以中心孔定位的车床夹具，如各类顶尖、
拨盘等。本设计中夹具以内孔定位，故采用心轴与弹性筒夹组合
而成。
为保证加工表面的形状、位置精度，夹具与主轴的联结的定心精度要高，定心方式要与选用机床主轴端部结构相符，鼎新后再加以压紧或拉紧，保证可靠和安全。
车床夹具是在高速回转，即受切削力又受惯性力作用，因此夹紧力必须考虑充分且大小足够，必须有可靠的自锁性。
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第4章机械手设计
4.1 运动分析
套类零件自动线大多数为一台机床配备两台结构完全相同的单臂机械手，分别承担工件的上下料运动。也有设计成在一台机械手上采用了两只机械臂的形式，这样一台双臂机械手就能承担两台单臂机械手的工作。在本设计中，为了减少机械手的数量同时由于要加工的零件尺寸和质量不大，仅采用一台单臂机械手来承担工件的上下料运动。
图4-1机械手机构简图
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如图4-1所示，本设计所采取的结构中，机械手工作时，首先机械手手臂伸长，手爪从料台夹紧工件后，手臂上仰，然后机身逆时针旋转180°，将工件送入数控机床夹具上夹紧，手臂缩回后俯下到料台高度完成上料过程，此时数控机床开始对工件进行加工。当机床加工完工件后，机械手手臂开始上仰一定角度后，手臂伸出到机床主轴中心线的高度，然后手爪夹紧工件，机床夹具松开后，机械手顺时针旋转180°后，手臂俯下到料台高度并将工件放在料台上，手臂缩回，机械手回到原始位置，从而完成下料过程。上下料过程循环进行，实现工件的连续加工。
从上述运动过程可以看出，机械手需要三个自由度：机身回转、手臂俯仰和伸缩。具体的分析过程如下：从上一章的数控机床有关参数以及确定的机械手和机床之间的位置关系可以知道，料台高800mm而机床主轴中心线高为1100m m，因此机械手爪的升降高度应为300mm（这一动作是由升降缸升降28 m m，带动手臂俯仰一定角度实现的）。机械手位于数控机床和料台的中间位置，而机床主轴与料台之间间隔为1800mm，所以机械手手臂伸长之后应为947m m，这样才能在旋转180°后准确地将工件放入机床夹具内或放在料台上。
一台单臂机械手同时承担工件的上下料运动，比采用两台单臂机械手的优点在于，结构简单、紧凑，定位精度高，维修方便。在本设计中，驱动系统为机床夹具和机械手提供运动的动力，是动力源。驱动系统按驱动介质的不同，可以分为液压驱动、气压驱动、电机驱动、机械传动，也可以采用几种方式联合驱动。
经过分析比较，本设计采用气压驱动控制机床夹具和机械手。同其他驱动方式相比，气压驱动具有以下优点：动力源为压缩空气，成本低，而且维护保养容易，无污染等。
电控线路辅助气压回路控制机械手自动完成工件的上下料。机械手的电控系统有多种类型，除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统地设计。根据控制程序的不同，电控方式分为固定程序，包括继电器线路，半导体逻辑线路；可编程序，包括顺序控制器，示教再现式计算机。
在本设计中，因为是专用机械手，考虑到实际的生产情况，要求设备的使用寿命高，工作可靠，成本低，经过分析比较，采用半导体逻辑线路控制机械手和机床夹具，在工作精度一定的前提下，半导体逻辑不仅能满足生产的实际需要，而且价格较低，
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并且在必要时可以改换成P C单片机控制。
综上所述，启动工作后，机械手臂伸长，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，逆时针旋转180°，将工件送入夹具夹紧后，手爪松开，手臂缩回、落下后完成上料动作；机床加工完工件后，机械手臂再次上仰后伸长，手爪夹紧工件，夹具松开，机械手顺时针旋转180°后，手臂俯下相同角度后，将工件放在料台上，手臂缩回到初始位置，从而完成下料动作。
4.2 结构设计
4.2.1 手部设计
4.2.1.1 概述
手爪应具有一定的通用性，其主要功能是：抓住工件，握持工件和释放工件。
手爪按夹持原理可以分为机械类，磁力类和真空类三种。机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。磁力类手爪主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两类。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可以分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪。机械手爪按手指数目分为二指手爪和多指手爪，按手指关节分为单关节手指手爪和多关节手指手爪。手爪按智能化分为普通式手爪（手爪不具备传感器）和智能化手爪（手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器、滑觉传感器等）。
手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，由于本课题中的套类零件尺寸很小，自身的重量很轻，设计中决定采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。
4.2.1.2 机械式手爪设计
（1）驱动机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。其中，气动手爪有许多突出优点：结构简单、成本低、容易维修、而且开合迅速，重量轻。故气动手爪目前应用广泛。设计中决定采用气动手爪。
（2）传动驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。传动机构有多种形式，如平行连杆式、齿轮齿条式、
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毕业设计论文 四自由度搬运物料工业机器人的设计 摘要:在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人示教编程伺服制动
The Design of an Industrial Robot with Four DOFs for Carrying Material for a Punch Abstract:In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jobs of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servocontrol, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. Key words:Robot；Playback；Servocontrol；Brake
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，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，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
四自由度机械手 本科毕业设计说明书(论文) 摘要 在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。 本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于10Kg，长150cm，宽150cm，高150cm的立方体。为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度的是机械手具有较大的抓取范围。 本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为4，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手臂回转所需的驱动力矩。继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。 关键词:搬运机械手; 液压驱动;液压缸;自动化
I 本科毕业设计说明书(论文) Abstract In China industrial ligament development, a lot of high productivity high precision machining equipments imported from abroad, such as CNC lathes and milling machines, and have several function of machine together in processing center, etc.. In this kind of CNC machine greatly improves the speed of work, product processing precision, reduces the labor intensity of work, so popular. But this kind of equipment is also very expensive, so many domestic enterprises technical personnel in the original old machine is improved, to improve productivity and reduce labor intensity of workers, industrial automation, this kind of improvement is also very popular. The manipulator is designed in this paper is mainly used for handling the workpiece, the workpiece weight is less than 10Kg, length 150cm, width 150cm, high 150cm cube. In order to increase the versatility of manipulator in structure, as far as possible compact case, maximum limit is the manipulator has a large capture range. This paper mainly introduces the concept, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, movement and development at home and abroad to accept. For the handling of acceptance for the overall program design, first drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determine the coordinate manipulator like cylindrical coordinate, the number of degrees of freedom is 4, then the drive
编号：SM-ZD-30903 通用上下料气动机械手结 构设计 Organize enterprise safety management planning, guidance, inspection and decision-making, ensure the safety status, and unify the overall plan objectives 编制：____________________ 审核：____________________ 时间：____________________ 本文档下载后可任意修改
通用上下料气动机械手结构设计 简介：该安全管理资料适用于安全管理工作中组织实施企业安全管理规划、指导、检查和决策等事项，保证生产中的人、物、环境因素处于最佳安全状态，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。 气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，应用特点广泛。论文介绍了气动机械手的原理，对机械手的主要部件和设计要求做了相关的阐述，另外对机械手回转臂的结构帮了优化措施。 气动机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。 在现代工业技术应用的气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机
读书笔记一：《浅析机械手的应用与发展趋势》 ——机械手的现状和发展趋势 主编：郭洪武 一、文章摘要 机械手是:指能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。它能代替人繁重劳动，可实现生产的机械化及自动化，改善劳动环境以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子部门。目前，机械手的种类按驱动方式分为：液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按运动轨迹控制方式可分为：点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手的历史及现状：工业用机械手的第一次发展迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械手操作手研究，是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制第一台示教型机械手，并在1962年,研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动。1962年美国机械铸造公司成功研制一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。国外的机械手在此基础上，得到一定程度上的发展。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimation-Vin.am型工业机械手，装有小型电子计算机控制，用于装配作业。联邦德国机械人制造业是从1970年开始应用机械手，主要是用于起重运输、焊接和设备的上下料等工作。日本是工业机械人发展最快和应用最多的国家,于1969年从美国引进后，开始大力发展机械手的研制，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。 机械手在我国的发展：我国工业机械手研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70年代，1972年我国第一台机械手在上海研制成功，从第七个五年计划开始，我国政府加大了对工业机器人的重视程度，并投入大量的资金。研制有以下机器人：点焊机器人、氩弧焊机器人、装卸载机器人等。值得注意的是中国科学沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的机器人的控制器。与此同时，一系列的机器人关键部件也被研究开发出来了，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机,编码器等等。 机械手的应用和发展趋势,随着自动化和机械化的发展，人们对机械手的要求也越来越高，主要体现在：（1）重复高精度。重复精度是指动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。对于某些机械手来说，重复精度甚于精度。（2）模块化。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置的更具有灵活的安装体系。它集成电接口、带电缆及
目录 1绪论 (1) 1.1工业机械手的概述 (1) 1.2机械手的组成及分类 (1) 1.2.1机械手的组成 (1) 1.2.2 机械手的分类 (3) 1.3 国内外发展状况 (4) 1.4课题主要任务 (5) 2机械手的设计方案 (6) 2.1机械手的座标型式与自由度 (6) 2.2 机械手的手部结构方案设计 (7) 2.3 机械手的手臂结构方案设计 (7) 2.4 机械手的主要参数 (7) 2.5 机械手的技术参数列表 (8) 3手部结构的设计 (9) 3.1夹持式手部结构 (9) 3.1.1手指的形状和分类 (9) 3.1.2设计时考虑的几个问题 (10) 3.1.3手部夹紧气缸的设计 (10) 4手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 (13) 4.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 (13) 4.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 (13) 4.1.2 尺寸校核 (14) 4.1.3.导向装置 (14) 4.1.4 平衡装置 (15) 4.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 (15) 4.2.1 尺寸设计 (15) 4.2.2 尺寸校核 (15) 4.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 (16) 4.3.1 尺寸设计 (16) 4.3.2 尺寸校核 (16) 5结论 (17) 致谢 (18) 参考文献 (19)
1绪论 1.1工业机械手的概述 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.2机械手的组成及分类 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1所示
专业课程设计说明书
目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)
第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车
前言 可编程控制器是20世纪70年代以来，在集成电路，计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备，自动化生产线外，国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀，接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传播数据等。 本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。 工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择，并对系统进行运行效率分析。
摘要 随着工业机械手的进一步发展，其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，确定机械手的工作原理和运动机理。设计了一种四自由度机械手，采用可编程序控制器（PLC）设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。 关键词：机械手梯形图 PLC 电磁阀 Abstract With the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level.Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism.Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system. Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve
毕业设计(论文) 题目: 气动机械手升降臂结构设计，面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏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，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。 本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。 利用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。 关键词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教
Abstract This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration. This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part. This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting. With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) -Point Demonstration part. Keywords: industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen; Demonstration
四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对
于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历
优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
四自由度机械手设计 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人，示教编程，伺服，制动 ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and