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1、摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。它是在机械自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在生产过程中起着非常重要的作用。机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力，因此机械手得到了越来越广泛的应用。可编程控制器(PLC)是在继电接触控制的基础上，结合先进的微机技术发展起来的一种新型的工业控制机。它发展迅速，应用广泛，特别适合于顺序控制，是机械自动化中一种基础的控制设备。它将填补继电接触控制与微机数控之间的一大块空白。为了降低气动机械手系统的开发成本，介绍了基于PLC控制的气动机械手系统中PLC的选择、PLC与器件的逻辑电路
2、连接、I/O的分配以及气动机械手系统的气动原理和工作原理等。与同类系统相比，节省了大量的电气元件，大大降低了开发成本。基于PLC控制的气动机械手是以压缩空气为动力源，电磁阀为控制元件，气缸为执行元件，实现各种需要的动作，具有系统结构简单、造价成本低、工作环境要求低、设计和制造周期短等优点，因此受到越来越广泛地重视。以PLC为核心的气动机械手控制系统具有较强的抗干扰能力、编程方便、系统的可改造和可扩展性好，特别适用于点位控制模式的机械手。本文将阐述一种用于机械搬运的基于欧姆龙CPMlA系列中的CPMIA-40COR-AVI型PLC系统的PLC控制气动机械手。用机械手取代人工搬运，用PLC取代继电
3、器控制，实现搬运过程自动化。最后，利用实验室的现有器件，对气动机械手进行模拟实验，进一步证明了该气动机械手的可行性。【关键词】搬运机械手气动可编程控制器(PLC)梯形图AbstractManipulatorisakindofdevicewhichhasthefunctionofgrabbingandmovingtheworkpiecesautomaticallyandusedintheautomaticproductionprocess.Itisanewtypeofdevicewhichisdevelopedintheprocessofmechanicalautomationproductio
4、n,andplayaveryimportantroleintheproductionprocess.Manipulatorcantaketheplaceofhumanfromrisk,repetitiveandboringwork,reducehumanlaborintensity,improvelaborproductivity,sothemanipulatorhasbecomemoreandmorewidelyusedintheprocessofproduction.ProgrammableLogiccontroller(PLC)isanewtypeofindustrialcontrolm
5、achinewhichisdevelopedonthebasisoftherelaycontactcontrol,combinedwithadvancedcomputertechnology.Itdevelopedrapidlyandwidely,especiallysuitableforthesequentialcontrol.Itisakindofbasicmechanicalautomationcontrolequipment.Itwillfilltherelaycontactcontrolwithalargegapbetweenthemicrocomputernumericalcont
6、rol.Inordertoreducethedevelopmentcostofpneumaticmanipulatorsystem,introducedapneumaticmanipulatorbasedonPLCcontrolsystemwhichistheselectionofPLC,thePLCconnectedtothelogiccircuitofthedevice,thedistributionoftheI/O,pneumaticprincipleandtheworkingprincipleofthepneumaticmanipulatorsystem.Comparedwiththe
7、similarsystem,itissavedalotofelectricalcomponents,greatlyreducedthecostofdevelopment.PneumaticmanipulatorbasedonPLCcontrolusecompressedairaspowersource,electromagneticvalveascontrolcomponents,cylinderasactuators,realizethevariousneedofaction,withasimplesystemstructure,lowercost,lowerrequirementsofwo
8、rkingenvironment,andashorterdesignandmanufacturingcycleetc.Soithasmoreandmorewidelyattention.PneumaticmanipulatorcontrolsystembasedonPLCasthecorehasstronganti-interferenceability,easyprogrammingandcanbemodifiedandscalabilityofthesystem.Especiallysuitableforthepositioncontrolmodeofthemanipulator.This
9、articledescribesakindofOMRONPLCsystemofCPM1A-40COR-AV1controlofpneumaticmanipulatorformechanicaltransport.Manipulatortoreplacemanualtransport,replacingrelaywithPLCcontrol,torealizetheautomatictransportprocess.Finally,byusingtheexistingdevicesinthelaboratory,makethesimulatedexperimentofpneumaticmanip
10、ulator.Thenfurtherprovedthefeasibilityofthepneumaticmanipulator.KeywordTransportManipulatorPneumaticPLCTrapeziumDrawing目录摘要AbstractIl1绪论-1-1.1 搬运机械手的研究目的和意义-1-1.2 国内外机械手的研究概况-1-1.3 机械手的分类-2-1.4 气压传动与控制的应用举例-3-1.5 气控的优缺点及新发展-4-1.6 本文研究内容-5-1.6.1 研究目的-5-1.6.2 本文主要研究内容-5-1.6.3 论文的主要结构-6-2气动搬运机械手的机械系统设计
11、-7-2.1 气动搬运机械手的工作任务-7-2.2 气动搬运机械手的结构与动作设计-7-2.2.1气动搬运机械手的结构设计-7-2.2.2气动搬运机械手的动作设计-8-2.3 气动机械手的部件研究-9-2.4 机械手的主要参数-11-3搬运机械手的气动控制系统设计-13-3.1 搬运机械手的气动驱动系统-13-3.1.1 气动执行机构-13-3.1.2 气动阀-17-3.1.3 气源-18-3.1.4 1.4气动三联件-19-3.2 气动控制系统设计的有关事项-20-3.3 搬运机械手电控气动回路图-20-3.4 绘制电控气动回路原理图-21-3.5 本章小结-22-4气动搬运机械手PLC控制
12、程序设计-23-4.1 可编程序控制器（PLC）简介-23-4.2 PLC的特点-24-4.3 可编程序控制器的控制过程与控制步骤-25-4.3.1可编程序控制器的控制过程-25-4.3.2可编程序控制器的控制步骤-25-4.4 可编程序控制器的编程规则-26-4.5 控制系统PLC的选型-26-4.6 关于CX-Programmer编程软件-27-4.7 气动搬运机械手的PLC控制器程序设计-29-4.7.1机械手动作顺序表-29-4.7.2机械手的I/O分配图-29-4.7.3机械手控制系统功能分析-30-4.7.4机械手PLC梯形图程序设计-30-4.8 本章小结-31-5气动搬运机械手
13、的模拟实验-32-5.1 实验目的-32-5.2 实验器材-32-5.3 实验步骤-36-5.4 实验过程展示-36-5.5 实验结论-37-5.6 实验收获-37-6总结与展望-38-参考文献-39-致谢-40-1绪论1.1 搬运机械手的研究目的和意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机械手的研制和生产己成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复、
14、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸、特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研窕和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，开发研制自动机械手从经济上、技
15、术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。目前，在国内很多工厂的生产线上的工件搬运仍然由人工完成，劳动强度大、生产效率低，为了提高生产加工的工作效率、降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计用装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要用于机床上的工件的搬运，实现搬运过程的自动化，无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。自动搬运机械手能够应用到加工工厂车间，完成机床以及加工中心的加工过程中的搬运工件的工作，从而减轻工人劳动强度，节约加工时间，提高
16、生产效率和生产力。1.2 国内外机械手的研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在己经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出
17、自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动、作业顺序的规划、有效的动态学习等）、机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不
18、断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演，发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手），基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术。还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具
19、备了独立自主发展中国机械手技术的基础。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：D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，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2）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。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使
20、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。（2）按驱动方式分1）液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，但对密封装置要求严格。不然，油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大。但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2）气压传动机械手气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质气
21、源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3）机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。它是一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。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上下料。4）电力传动机械手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
22、行机构运动的机械手。因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。（3）按控制方式分1）点位控制点位控制机械手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。2）连续轨迹控制连续轨迹控制机械手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
23、气压传动与控制的应用举例汽车制造业：其中包括汽车自动化生产线，车体部件的自动搬运与固定，自动焊接等。半导体电子及家电行业：例如用于硅片的搬运，元器件的插入及锡焊，家用电器等的组装。加工制造业：其中包括机械加工生产线上工件的夹装及搬运，冷却，润滑液的控制，制造生产线上的造型，捣固，合箱等等。介质管道运输送业：可以说，用管道输送介质的自动化流程绝大多数采用气动控制。如：石油加工、气体加工、化工等。包装业：其中包括各种半自动或者全自动包装生产线，例如：聚乙烯、化肥、酒类、油类，煤气罐装、各类食品等的包装。机器人：例如装配机器人，喷漆机器人，搬运机器人以及爬墙，焊接机器人等。其他：例如车辆的刹车装置，
24、车门开闭装置。颗粒状物质的筛选，鱼雷，导弹的自动控制装置。至于各种气动工具等，当然也是气动技术应用领域的一个重要侧面。1.5 气控的优缺点及新发展由于气动技术是以空气为介质，它具有防火、防爆、防电磁干扰、不受放射线及噪声的影响，且对振动和冲击也不敏感，结构简单、工作可靠、成本低寿命长等优点。所以近年来气动技术得到了迅速发展及普遍应用。表IT概括的给出了各种驱动方式的比较。表IT驱动方式比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂比较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高很高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂
25、需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小气动控制的优点如下：气动系统的工作介质是空气，它是取之不尽用之不竭的。使用快速接头可以非常简单地进行配管，因此系统的组装、维修以及元件的更换比较简单。可安全、可靠地应用于易燃、易爆场所，因此设置环境和利用元件自由度较大。由于空气的粘度只有油的万分之一，所以流动阻力小，管道中空气流动的沿程压力损失小，有利于介质集中供应和远距离输送。做完功的空气可以直接排向大气中，不需要设置回程管道，即使系统中稍微泄漏也不至于造成环境污染。动作迅速反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。在一定的超载运行下也能保证系统的安全工作，并且
26、不易发生过热现象。气压具有较高的自保持能力，即使压缩机停止运行，气阀关闭，气动系统仍可维持一个稳定压力。气动控制的缺点如下：由于空气是可压缩的，所以气动系统的稳定性较差，给位置控制和速度控制精度带来较大的影响。工作压力低（一般小于O.8Mpa）,因而气动系统输出力小，在相同的输出力的情况下，气动装置比液压装置尺寸大。噪声大，尤其在超音速排气时，需要加载消声器。工作介质空气本身没有润滑性，如不是采用无给油气动系统元件，需另加油雾器等装置进行给油润滑。综上所述，当今的气动技术的新发展正朝着无给油化、节能化、小型化与轻量化、位置控制的富精度化、电气一体化、集成化方向大踏步的前进，前景非常美好。1.6
27、 本文研究内容1.6.1 研究目的在目前广泛应用的人机工程学科中，工业机器人技术越来越受到重视。工业生产领域中应用的机械手又叫做“工业机械手”，是工业机器人学科的一个分支。在实际的生产过程中，应用机械手系统不但可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，还可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。机械手主要由手部、运动机构和控制系统组成。起固定支撑作用的机架、机械臂和手爪组成手部控制环节。手爪的主要工作任务是吸持工件，部分较灵活的机械手上安装了手指，类似人类手指可较灵活实现物体抓放。目前最先进的机械手中安装了传感器，可以感知抓紧的力大小，一般安装在最前端。机械臂主要实现支撑相应的机械手及辅助部分
28、，实现手臂的伸缩、回转等控制，保证机械手准确抓住工件。机械手的运动主要有伸缩、回转、垂直六个方向，各方向运动功能实现依靠气缸，由PLC控制的电磁阀的得电、失电来实现。其运动功能实现还有采用液压控制系统、电气驱动系统和机械驱动的控制方式，对于要求夹紧力较大的可首选液压驱动方式，驱动力不要求太大的可采用气压传动实现。机械手的手臂部分采用气压方式由执行缸来做水平与垂直方向的运动控制，由气压缸与马达等组成，一般由4-6个自由度，较先进的也有更多自由度的机械手。液压驱动方式主要用于重型工业设备，其特点压力高、体积小、出力大且平稳。成本较高且需配备压力源，较繁锁。故综合比较，本文研究的是工业生产中气动搬运
29、机械手控制。本次设计选用气动技术为机械手的驱动系统，是基于气动技术以下优点：以压缩空气为介质，在生活中十分方便获得气源；气动系统动作迅速、平稳、可靠、节能、工作寿命长、结构简单、重量轻特别是对环境没有污染、易于控制和维护。机械手的控制要素主要包括工作的顺序、能提起多大的重量、运动的时间、到达的位置等。1.6.2 本文主要研究内容本文以气压传动控制的机械手为研究对象，以原位为起点分别完成：机械臂顺时针旋转90度一机械手下降至工件所在位置If机械手指夹紧工件一机械臂逆时针旋转90度f达到工件搬运位置2-机械手指释放工件机械手上升至初始位置的控制过程。各环节的转换采用接近开关来实现检测到位情况。气压
30、传动机械手的动作操作方式分为手工操作方式和自动操作方式。手工操作方式指的是各气缸的运动单独由手动按钮按各动作依次进行操作的控制方式；自动操作是指在PLC程序控制下各动作按规定线路自动执行完成。自动操作可以分为单周期操作与连续操作两种方式。单周期操作是指气压传动机械手从原点开始f按启动按钮f机械手自动完成从原位执行完所有一个周期的动作后停止。连续操作是指机械手从原点开始一按启动按钮一机械手的动作将自动地、连续不断地进行周期性循环执行。在工作中如果按停止按钮，机械手将继续完成一个周期的动作，然后回到原点自动停止。本文研究中的基本任务围绕上述要求，根据控制要求及参数选择合适的气压传动的控制元件。根据
31、控制动作设计出气压控制的基本回路图，然后再综合设计符合控制要求气压系统图；气压系统图中各电磁阀线圈采用PLC技术进行控制，要求设计控制系统的I/O接线图、及梯形图程序、调试程序。过程中要求对气动搬运机械手的工作任务、气动搬运机械手的结构和动作设计有所了解，对气压传动技术应较熟悉掌握，对PLC控制技术能较熟悉掌握国内常见型号的选用及编程技术。1.6.3 论文的主要结构本文按照首先介绍研究目的、主要研究内容；其二，介绍气动搬运机械手的机械系统设计；其三，研究气动搬运机械手的电气结构，其中包括气动元件的选取以及气动控制回路的设计等；其四，研究气动搬运机械手的PLC控制程序设计，并画出了相应的梯形图程
32、序。最后着重研究对于本文所设计的机械手的模拟实验。通过模拟实验进一步证明该气动搬运机械手设计的可行性。2气动搬运机械手的机械系统设计2.1气动搬运机械手的工作任务图2-1所示为某机床的零件自动搬运线，该线主要由传送带1、传送带2和搬运机械手等三部分组成。传送带1和传送带2由步进机构驱动带动工件作步进间隙运动。自动线的零件搬运过程如下：机械臂顺时针旋转90度一机械手下降至工件所在位置If机械手指夹紧工件一机械臂逆时针旋转90度一达到工件搬运位置2一机械手指释放工件一机械手上升至初始位置。由自动搬运线的零件搬运过程可见，气动机械手的主要任务是将传送带1上已到位的工件1（圆形截面）取出，搬运至传送带
33、2上的指定位置。图2-1某机床的零件自动搬运线简图2.2气动搬运机械手的结构与动作设计2.2.1气动搬运机械手的结构设计本文设计的气动搬运机械手用于生产线上工件的自动搬运。根据机械手的动作任务,进行机械手的结构设计，如图2-2所示。由手指、手指气缸、手指升降装置、手指旋转装置、机械臂、机械臂旋转装置、立柱机架、底座等。运动构件均由气缸驱动，由电磁阀控制气缸动作。将气缸A安装在底板上，在活塞上安装齿条，通过齿轮与齿条的传动，进而实现机械手顺时针或者逆时针的摆动运动。机械手的竖直方向由气缸B控制，在完全伸出和回缩位置之间进行切换，手指的夹紧与释放由手指气缸C来控制。由于这种结构采用机械固定方式，因
34、此，其重复定位精度较高。图2-2机械手的结构设计图2.2.2气动搬运机械手的动作设计机械手的工作程序图如图2-3所示。由A,B,C三个气缸分别完成转向，升降，夹紧释放的三个动作。A气缸通过一个双电二位五通电磁换向阀控制机械手的转向，使机械手在A气缸活塞杆从缩回状态至伸出状态的过程中，完成顺时针旋转90度的动作；相反地，在A气缸活塞杆从伸出状态至缩回状态的过程中，完成逆时针旋转90度的动作。B气缸通过一个双电二位五通电磁换向阀控制机械手的升降,C气缸通过一个双电二位五通电磁换向阀控制机械手指的夹紧与释放的动作。手指用于夹持工件或释放工件，由手指夹持气缸C的往复运动来实现。手臂是实现机械手的旋转动
35、作的部件，由机械臂旋转气缸A的往复运动实现。在本文研究的机械手中，手腕设计是不必要的。由图2-1可见，工件1是圆形截面，手指在传送带1抓取工件1并随机械臂逆时针旋转90度，到工位2时，工件1虽然也随之逆时针旋转90度，但由于工件为圆形截面，所以对下一步加工没有影响。手臂升降装置是实现手指部件的上升和下降的装置，由升降气缸B的往复运动实现。因为传送带1和传送带2的工作平面不在同一高度上，且传送带1较高与传送带2,因此机械手从传送带1抓取工件，逆时针旋转90度达到传送带2上的指定位置后，即可释放工件。即不用考虑工件与传送带2之间会因接触产生的不必要的摩擦。机械臂用以支承手指、升降装置等部件，机械臂
36、旋转气缸的往复运动带动机械臂绕立柱轴线作往复摆动。中空的立柱内，安装有用于带动机械臂旋转运动的回转轴。旋转机械臂的设计应使手指在2个工作位置上停留：传送带工件1、传送带工件2。CliAoC02Bi0123456b）图2-3机械手的工作程序图a）气动机械手工作程序b）工作程序表达形式2.3气动机械手的部件研究（1）执行机构机械手的执行机构是机械手实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。机械手在组成上主要有五部分，分别为手部、手腕、手臂、立柱、基座等主机部分，有的还增设行走机构。实现上下运动、伸缩运动、回转运动、夹紧工件的气缸与手爪等为执行部分。1）手部手部就是与物件接触
37、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部。当被夹持工件是圆柱形状时，一般使用夹持式手部；当被夹持工件是板料时，一般使用气流负压式吸盘。夹持式手部由手指（或气爪）和传力机构所构成。气爪是与物件直接接触的构件，常用的气爪运动形式有回转型和平行型。回转型气爪结构简单，制造容易，故应用较广泛。平行型气爪应用较少，其原因是结构比较复杂，但平行型气爪夹持圆形零件时，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。常见的四种气爪如图2-4所示。a）平行气爪b）摆动气爪c）旋转气爪d）三点气爪图2-4常见的四种气爪手爪结构取决于被抓取物件的表面形状被抓部位和物件的重量及尺寸
38、。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手爪有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。在本文中，该搬运机械手加持对象为圆柱形工件，因此选用平行开闭型手部，具体的设计结构如图2-5所示。图2-5机械手手部结构示意图1.上手指2.下手指3.上连杆4.下连杆5.推杆6.机架2）手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。3）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。对手臂结构的要求主要是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件
39、（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。气压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，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，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上，应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在手臂升降模块中采用双导向杆来增加手臂的刚性和导向性。实现机械手手臂回转运动的机构形式是多
40、种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本气动搬运机械手手臂回转机构就是通过连杆机构，将气缸活塞的伸缩直线往复运动转换为立柱的回转运动，进而带动机械手臂做回转运动来实现的。4）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运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5）基座基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基座上，是支撑起机械手全部重量的构件。基座结构从形式上可以分为落地式和悬挂式，或分为固定式、可移动式及行走式。本搬运机械手的基座采用落地固定
41、式。基座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故基座比较简单或不设基座。对通用机械手来讲，传动部分通常布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在基座的后上方或单独布置一个控制箱。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动。本文选择气压传动。（3）控制系统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
42、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。2.4机械手的主要参数（1）主参数：机械手的最大抓重是其规格的主参数，本机械手最大抓重以0.5千克为基数。故该机械手主参数定为0.5千克。（2）基本参数：运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为50mms,平均移动速度为40
43、mms,平均回转速度为45o/so机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度和行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的升降行程定为200Inn1,最大工作半径约为100nm1,手臂回转行程范围定为90。3搬运机械手的气动控制系统设计电气结构的设计对于整个机械手系统来说是很重要的一个环节
44、，机械手能否安全、平稳地运行，很大程度上需要依赖电气结构。随着时代和科技的发展，电气结构也逐渐向智能化发展，向着为大型生产线提供安全、便捷、舒适的工作设施的目标而不断改进。3.1 搬运机械手的气动驱动系统工业机械手采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机械手作业位置,也可以单独建立小型气源系统”、由于气动方式具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业，小型零件的输送和自动装配等作业以及食品包装及运输、电子产品输送、自动插接、弹药生产自动化等方面获
45、得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机械手中的。这类系统多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；35个自由度；负荷在200N以下；速度300100Onnn/s;重复定位精度为0.1一0.5m控制装置目前多数选用可编程控制器(PLC)。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。分析该搬运机械手工作任务可知，此机械手要完成搬运工件的工作，需要对气缸的位置进行控制。因此，可以通过接近开关来反馈气缸的位置，进而控制下一步动作。所以需要根据气动系统的常用位置控制回路设计机械手气动回路。气动驱动系统大体由以下几部分组成。1 .1.1气动执行机构气动执
46、行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的装置。它包括气缸和气马达。气缸的结构与符号如图3-1所示。气缸是将压缩空气的压缩能转换成直线运动并做功的执行元件。气缸按结构形式分为两大类：活塞式和膜片式。其中活塞式又分为单活塞式和双活塞式，单活塞式又有活塞杆和无活塞杆两种。下面简单介绍几种典型气缸。(a)普通气缸外形(b)无杆气缸外形图3-1气缸的结构与符号(O符号(1)普通气缸气缸由缸筒，前后缸盖，活塞，活塞杆，密封件和紧固件等零件组成，缸筒在前后缸盖之间由四根拉杆和螺母将其连接锁紧。活塞与活塞杆相连，活塞上装有密封圈、导向环及磁性环。磁性环用来产生磁场，使活塞接近磁性开关时发生信号，即在普通气缸上
47、安装磁性开关就成为可以检测气缸活塞位置的开关气缸。(2)无杆气缸无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接地实现往复运动。行程为L的有活塞杆气缸，沿行程方向的实际占有安装空间约为2.2L。没有活塞杆，则占有安装空间仅为L2L,且行程缸径比可达50100。没有活塞杆，还能避免由于活塞杆及杆密封圈的损伤而带来的故障。而且由于没有活塞杆，活塞两侧受压面积相等双向行程具有同样的推力，有利于提高定位精度。这种气缸的最大优点是节省了安装空间，特别适用于小缸径、长行程的场合。无杆气缸现已广泛用于数控机床、注塑机等的开门装置上及多功能坐标机械手的位移和自动输送线上工件的传送等。(3)摆动气缸摆动气缸是出力轴被限制在某个角度内做往复摆动的一种气缸，又称为旋转气缸。摆动气缸目前在工业上应用广泛，多用于安装位置受到限制或转动角度小于360的回转工作部件，其动作原理也是将压缩空气的压力能转变为机械能。常用的摆动气缸的最大摆动角度分为90、180、270三种规格。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式(如法兰连接、尾部较接、前端或中间较接、气缸杆的螺纹连接或较接等)由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径、行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。本文选择两个普通气缸和一个手指气缸便可达到设计要求。下面分别对三个气缸A、B、
