第一章引言
1.1 工業機械手概述
工業機械人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測感測裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重複程式設計、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產裝置。特別適合於多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。
機械人應用情況，是乙個國家工業自動化水平的重要標誌。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某台工具機的上下料裝置，是附屬於該工具機的專用機械手。隨著工業技術的發展，製成了能夠獨立的按程式控制實現重複操作，適用範圍比較廣的「程式控制通用機械手」，簡稱通用機械手。由於通用機械手能很快的改變工作程式，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。
氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。
但是，由於空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，衝擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用於高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。
氣動技術有以下優點:
(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而後排入大氣，處理方便，一般不需設定**管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題.
(2)阻力損失和洩漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便於集中**和遠距離輸送。外洩漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重汙染。
(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統也能實現過載保護，便於自動控制。
(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制效能。
(6)成本低廉。由於氣動系統工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，製造容易，成本較低。傳統觀點認為:
由於氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統中要實現高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機械人中的驅動功能已有部分被工業界所接受，而且對於不太複雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統己被接受，但由於氣動機械人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業自動化領域裡，對氣動機械手、氣動機械人的實用性和前景存在不少疑慮。
1.2 氣動機械手的設計要求
1.2.2 課題的設計要求
本課題將要完成的主要任務如下:
(1)機械手為通用機械手，因此相對於專用機械手來說，它的適用面相對較廣。
(2)選取機械手的座標型式和自由度。
(3)設計出機械手的各執行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用於夾持式手指來抓取棒料工件，在工業需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。
(4)氣壓傳動系統的設計
本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統，包括氣動元器件的選取，氣動迴路的設計，並繪出氣動原理圖。
(5)機械手的控制系統的設計
本機械手擬採用可程式設計序控制器(plc)對機械手進行控制，本課題將要選取plc型號，根據機械手的工作流程編制出plc程式，並畫出梯形圖。
1.3 機械手的系統工作原理及組成
機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示
圖1-1機械手的系統工作原理框圖
機械手的工作原理：機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在plc程式控制的條件下，採用氣壓傳動方式，來實現執行機構的相應部位發生規定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。
同時按其控制系統的資訊對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警訊號。位置檢測裝置隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，並與設定的位置進行比較，然後通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.
(一)執行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件。由於與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們採用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。
手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，製造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較複雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化範圍大的工件。
手指結構取決於被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:
滑槽槓桿式、連桿槓桿式、斜面槓桿式、齒輪齒條式、絲槓螺母彈簧式和重力式等。
2、手腕
是連線手部和手臂的部件，並可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，並按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。
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，手臂的迴轉運動和公升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯絡。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝於機座上，故起支撐和連線的作用。
(二)驅動系統
驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的。它由動力裝置、調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。
(三)控制系統
控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程式控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手採用的是plc程式控制系統，它支配著機械手按規定的程式運動，並記憶人們給予機械手的指令資訊(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的資訊對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警訊號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執行機構的運動位置，並隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，並與設定的位置進行比較，然後通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.
第二章機械手的整體設計方案
對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業物件(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，並滿足系統功能要求和環境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量引數等，從而進一步確定對機械手結構及執行控制的要求;盡量選用定型的標準元件，簡化設計製造過程，兼顧通用性和專用性，並能實現柔性轉換和程式設計控制.
本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手（如圖2-1所示），是一種適合於成批或中、小批生產的、可以改變動作程式的自動搬運或操作裝置，動作強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用於操作環境惡劣的場合。
圖2-1機械手的整體機械結構
2.1 機械手的座標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節式。由於本機械手在上下料時手臂具有公升降、收縮及迴轉運動，因此，採用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補公升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加乙個手臂上下擺動的自由度。
（如圖2-2所示）
圖2-2 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結構方案設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
2.3 機械手的手腕結構方案設計
考慮到機械手的通用性，同時由於被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有迴轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成迴轉結構，實現手腕迴轉運動的機構為迴轉氣缸。
2.4 機械手的手臂結構方案設計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右迴轉和降(或俯仰)運動。手臂的迴轉和公升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現。
2.5 機械手的驅動方案設計
由於氣壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和洩漏較小，成本低廉因此本機械手採用氣壓傳動方式。
2.6 機械手的控制方案設計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們採用可程式設計序控制器(plc)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變plc程式即可實現，非常方便快捷。
2.7 機械手的主要技術引數
.機械手的最大抓重是其規格的主引數，由於是採用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計引數，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為5公斤。
.基本引數運動速度是機械手主要的基本引數。操作節拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用範圍。
（如圖2-3所示）而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及迴轉的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大迴轉速度設計為。
平均移動速度為。平均迴轉速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運動速度以外，手臂設計的基本引數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當於人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。
在這種情況下宜採用自動傳送裝置為好。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂公升降行程定為。
定位精度也是基本引數之一。該機械手的定位精度為。
工業機械手設計說明書
第一章引言 1.1 液壓機械手概述 液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是 介質源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由於空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，衝擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械...
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