氣門搖臂軸支座加工工藝設(shè)計,氣門,搖臂,支座,加工,工藝,設(shè)計 北京信息科技大學 畢業(yè)設(shè)計(論文) 題 目: 氣動機械手升降臂結(jié)構(gòu)設(shè)計，面板操縱式 （有動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計 學 院: 機 電 工 程 學 院 專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化(機電方向) 學生姓名: 姜 浙 閩 班 級/學 號 304010538 指導老師/督導老師: 李 啟 光 起止時間: 2008年2月24 至 2008年6月9日 摘 要 本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點,觸摸屏的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。 本文對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計計算了機械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手部結(jié)構(gòu)。 本文系統(tǒng)地研究了機械手的氣動系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 利用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，對機械手的面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件進行了設(shè)計。 關(guān)鍵詞:工業(yè)機器人；機械手；氣動；可編程序控制器；觸摸屏；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 目 錄 摘要(中文) -----------------------------------------------------------I (英文) -----------------------------------------------------------II 第一章 緒 論 1.1工業(yè)機械手概述 ------------------------------------------------------------- 1 1.2機械手的組成和分類 --------------------------------------------------------- 1 1.2.1機械手的組成 --------------------------------------------------------- 1 1.2.2機械手的分類 ---------------------------------------------------------- 2 1.3 PLC與觸摸屏概述 ----------------------------------------------------------- 3 1.4國內(nèi)外發(fā)展狀況 ------------------------------------------------------------- 3 1.5課題的提出及主要任務 ------------------------------------------------------- 4 1.5.1課題的提出 ------------------------------------------------------------ 4 1.5.2課題的主要任務 -------------------------------------------------------- 5 第二章 機械手的設(shè)計方案 2.1機械手的類型和自由度的選擇 ------------------------------------------------- 6 2.2機械手的驅(qū)動方案設(shè)計-------------------------------------------------------- 6 2.3機械手的控制方案設(shè)計-------------------------------------------------------- 6 2.4機械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定---------------------------------------------------- 6 2.5 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計-------------------------------------------- ------- 6 2.6機械手的主要參數(shù) ----------------------------------------------------------- 7 2.7機械手的技術(shù)參數(shù)列表 ------------------------------------------------------- 7 第三章 手部結(jié)構(gòu)的選擇,手臂伸縮的選擇，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) ------------------------------------------------------------ 9 3.1.1 手指的形狀和分類 ------------------------------------------------------ 9 3.1.2 設(shè)計時注意的問題 ------------------------------------------------------ 9 3.2升降缸的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇 --------------------------------------- 9 3.2.1 氣缸的分類 ------------------------------------------------------------ 9 3.2.2 升降缸的尺寸設(shè)計與校核 ------------------------------------------------ 11 3.2.3 伸縮缸的選擇 ---------------------------------------------------------- 16 3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 -------------------------------------------------- 16 第四章 氣動系統(tǒng)設(shè)計 ------------------------------------------------------ 20 第五章 機械手的PLC控制設(shè)計 5.1可編程序控制器的選擇 ------------------------------------------------------- 21 5.2機械手可編程序控制器控制方案 ----------------------------------------------- 21 5.2.1 系統(tǒng)簡介 -------------------------------------------------------------- 21 5.2.2可編程序控制器的工作流程設(shè)計 ------------------------------------------- 21 5.2.3 可編程序控制器的存儲區(qū)設(shè)計 -------------------------------------------- 22 5.3硬件、軟件的設(shè)計與調(diào)試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài) ---------------------------------------------------- 23 5.3.2 軟件設(shè)計 -------------------------------------------------------------- 23 5.3.3 硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.4 梯形圖設(shè)計 ------------------------------------------------------------ 23 5.3.5 機械手控制程序 -------------------------------------------------------- 23 第六章 觸摸屏上位機設(shè)計 --------------------------------------------------- 25 第七章??結(jié)論 ---------------------------------------------------------------- 28 結(jié)束語 ----------------------------------------------------------------------- 29 參考文獻 --------------------------------------------------------------------- 30 11 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機械手的概述 工業(yè)機器人是能模仿人體某些器官的功能(主要是動作功能)、有獨立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動操作裝置。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。 “機器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學幻想戲劇《羅素姆萬能機器人》中第一次使用了機器人一詞。此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人； 60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有 3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶等信息載體，輸入已編好的程序。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環(huán)境，并自動完成更為復雜的工作。 1.2 機械手的組成及分類 1.2.1機械手的分類 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。如下示意圖1-1. 圖1-1 機械手示意圖 1.2.2 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 專用機械手是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手等。 2、通用機械手 通用機械手是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，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(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 點位控制的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 連續(xù)軌跡控制的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3 PLC與觸摸屏概述 PLC(Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱(即PLC、機器人和CAD/CAM)之一。 人機界面是在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡單生動`，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設(shè)備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價值。 觸摸屏作為一種新型的人機界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應用非常廣泛，比如:自動化停車設(shè)備、自動洗車機、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調(diào)整。 隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面， PLC控制器強大的功能及復雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機的出現(xiàn)，觸摸屏的應運而生無疑是21世紀自動化領(lǐng)域里的一個巨大的革新。 1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 1.5課題研究內(nèi)容 1.5.1課題的提出 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題. (2)阻力損失和泄漏較小，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)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)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(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)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(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)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(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。 1.5.2課題的主要任務 1、進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計； 2、對氣動機械手氣路了解，進行關(guān)鍵部件的研究，完成氣動閥座零件圖。 本課題采用的是南通大學電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺， 3、設(shè)計氣動機械升降臂回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；完成氣動機械手升降臂結(jié)構(gòu)裝配圖、氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖。 設(shè)計的氣動機械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉(zhuǎn)180度；抓握零件直徑?5~ ?20，最大重量0.5KG 。 4、完成面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件設(shè)計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 要求界面友好,本課題所用操作版面是eview軟件操作版面，其版面可簡約成如下示意圖 機械手的操作版面如圖1-2所示； 示教 圖1-2 操作版面 5、機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計:本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號為西門子S7-200，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC示教程序，要求程序可讀性好。 第二章 機械手的設(shè)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(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)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(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設(shè)備?？梢愿淖儎幼鞒绦虻淖詣影徇\或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預定運動規(guī)律運動。 2.1機械手主要類型和自由度的選擇 手臂的機構(gòu)基本上決定了操作機的工作空間范圍，按機械手手臂運動的不同運動的坐標形式和形態(tài)來進行分類，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標型具有三個移動關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個互相垂直的獨立位移。由于其運動方程可獨立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡單等特點，但操作靈活性較差，運動速度低的特點。（2）圓柱坐標型具有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標為(z，r，θ)。這種操作機的優(yōu)點是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點是手部外伸離中心軸愈遠，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運機器人。（3）球座標型具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動和繞兩個平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復雜設(shè)備當中。 由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，在操作機中主動關(guān)節(jié)的數(shù)目應等于操作機的自由度，因此，采用圓柱座標型式，相應的機械手具有三個自由。 2.2 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。本系統(tǒng)采用南通大學的WQK-III電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺實現(xiàn)對機械手的控制。 2.3 機械手的控制方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(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程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。本機械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進行編程控制。 2.4 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，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。本文設(shè)計的是抓握直徑為?5~ ?20的零件。 2.5 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)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、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)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(xiàn)。手臂的伸縮、升降運動由伸縮氣缸來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)。