气动机械手的设计.doc

毕 业 设 计

气动机械手回转臂结构设计 题目名称：气动机械手回转臂结构设计

毕 业 设 计 任 务 书

具体要求：（原始数据、试验方案、手段及预期结果）

结合所学专业知识，查阅相关书籍及资料，深入理解设计课题的要求，

完成设计任务，具体要求如下：

1. 收集相关资料，气动机械手的工作原理，确定总体设计方案，做开题报告，翻译一篇与该课题有关的不少于 5000 个英文字符的外文资料。

2. 位置检测精度达到 1 毫米。伸缩行程 100mm，升降行程 50mm。旋转

180 。

3. 抓握零件直径520 ，最大重量 0.5kg。

4. 总结设计过程，撰写毕业设计论文，准备答辩，按照论文撰写规范书写毕业设计论文，并做好答辩前的准备工作。

基本内容如下：

本课题将要完成的主要任务如下:

(1) 进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计；

(2) 设计气动机械手气路设计，进行关键部件的设计计算；

(3) 设计气动机械伸缩、回转臂部分结构，进行关键部件的设计计算；

(4) PLC控制系统的设计及编程。

其中： 参 考 文 献 篇 10 篇以上数 ： 6 000 字以上

说明书字数： 折合 A0 图纸 3 张，其中至少 1 张装配图

图 纸 张 数 ：

专业负责人意见

签名：

年

月

日

气动机械手回转臂结构设计

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，机械手的自由度和坐标形式，气动技术的特点，PLC 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。

1

小型气动机械手的设计

摘 要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路,通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作.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。

关键词:气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计

Design of Small Pneumatic Manipulator

Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design

of pneumatic manipulator。 Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and

a connecting piece， according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping， conveying and

unloading。 Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design

of pneumatic control circuit， the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure，

图书分类号：

密 级：

毕业设计(论文)

电控气动机械手设计

THE DESIGN OF AN ELECTRICAL CONTROL

PNEUMATIC MANIPULAT

学生姓名

学院名称 机电工程学院

专业名称 机械设计制造及其自动化

指导教师

2011年 5月 27日

I

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：

日期：

年 月

日

摘要

科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手有着深远的科教意义。

本课题设计的教学型搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的回转。设计中分析了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转。设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。

关键词 机械手；教学型；四自由度；单片机

II

Abstract

Scientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road,

while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various

民营科技２０１３年第８期　科技论坛　在工业生产中关于气动机械手的设计　郝立伟　（秦皇岛北方管业有限公司，河北秦皇岛０６６００４）　摘要：改革开放以来，在工业科技的不管发展下，机械占据着越来越重要的地位。机械人手臂有着人类的手臂无法达到的灵活度　与耐力度。其中最明显的优势就是机械手可以重复一件工作很久并多次不会出现劳累和错误。综合上述优点在不久的将来机械手将会　得到广发的应用，机械手是在本世纪中叶才被发明出来，但是已经发明他的不可或缺性就得到了鲜明的体现就是作业的准确性和在困　难环境中完成作业的能力。其中工业机械手是机器手的一个重要分支。他的种类有很多种，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、　机械式。特点是只要程序完善就能来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。　关键词：机械手臂；极限位置；导向管　１机械手　１．１机械手的组成。机械手包括手部、运动控制部和控制系统。手部　是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重　量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型　等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规　定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋　转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置　和方位的物体，需有６个自由度。自由度是机械手谢十的关键参数。自　由度越多，机械手的灵活陛越大，通用性越广，其结构也越复杂。控制　系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同　时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。　１．２机械手的种类　１）按用途。ａ专用机械手。它是工作主机的附属部　件，他的没汁程Ｊ　固定不变的，所以他无法自主控制系统的机械装　置。专用机械手工作动作少、对象单一不变、结构岗寸简单、使用可靠和　成本低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手。ｈ通用　机械手。这是—个具有独立自主控制系统的、设计程序灵活多变、动作　灵活的机械手。在他的工作范围内，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。通用机械手具有的特　点是工作使用范围广、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。２）按驱动方式。８１．液压ｆ专动机械手。是以液压　的压力来驱动执行机构运动的机饿手。其主要｝寺点是：抓重可达几百公　斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。ｂ气压传动饥械手。是以压缩空　气的压力来驱动执行机构ｊ主动的机械手。其主要特　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。ｃ机械传动机械手。　即由机械传动机构（女口凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等髓动的机械　手。它是—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。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。ｄ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。　２机械手的设计　・　对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，　这就要求它们具有高精度、快速反应、—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ｌ生。设计气动机械　手的原则是：充分分析作业对象（工　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　形状和材料特眭，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特牲、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『生转换和编程控制。本次设计的机械手是通用气动上下料机械　手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬　运或操作设备，劳动强度大和操作单调、频繁的生产场合。也可用于操　作环境恶劣的生产场合。　２．１机械手的坐标型式与自由度。按机械手手臂的不同运动形式及　其组合隋况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和　关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因　此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降　运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆　动的自由度，为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计　成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部；当工件是板料时，　使用气流负压式吸盘。考虑到机械手的通用性，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。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、左右回　转和降戚俯｛印运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立　柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。　２．２手部结构设计。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结　构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部：如果有实际　需要，还可以换成气压吸盘式结构，夹持式手部结构由手指溅手爪）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。　２３手腕结构的设计。虑到机械手的通用性，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　腕没计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。手腕是连　接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具　有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选　用与机械手的通尉性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许　多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用　性，因此给手腕设—绕Ｘ轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实　现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油（＿气）缸，因此我们选用回　转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于３６０，并且要求严格的密封。　２．４手臂结构设计。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。　３结论　主要涉及对象是气动通用机械手，他和专用机械手相比较而言，　通用机械手的自由度灵活多变，控制程序可调，所以他的工作范围比　较广泛。在其中运用的气压传动，快速加速，灵活反应，机械过载保护，　这都属于自我控制。他主要还表现在对工作环境适应ＪＩ　仓，对周围环　境的变化所引起的条件改变不会影响到他的作业。阻力损失和泄漏较　小，并对环境不会造成污染。制造成本低廉。通过对气压传动系统工作　原理图的参数化绘制，这样做会提高测绘的速度，同时还节省了大量　时间和避免了不必要的劳动，对于对图纸的—致规范ｌ生也有很大的帮　助。机械手采用ＰＬＣ控制，危险系数地、程序改变容易等优点，无论是　制或混合控制，都可通过设定ＰＬＣ程序来　实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。　参考文献　【１Ｊ１张建民．工业机器人册．北京：北京理工大学出版社，２００７．　［２］郑洪生．气压传动及控制　．北京：机械工业出版社，２００７．　［３］徐钢涛，等．机械设计基础嗍．北京：高等教育出版社，２００８．