气动机械手的设计毕业设计论文.docx
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气动机械手的设计毕业设计论文
包头轻工职业技术学院
毕业论文
论文题目：
气动机械手的设计
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摘要气动机械手是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。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
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。
关键词：
气动机械手；气缸；气动回路。
1绪论
1.1气动机械手概述
气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
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。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2机械手的组成和分类
1.2.1机械手的组成
工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。
图1-2为工业机械手的典型结构，图1-3为工业机械手的组成方框图。
图1-2工业机械手的典型结构
手部
腕部
臂部
执行机构
腰部
基座部（固定或移动）
工业机械手
电、液或气驱动装置
驱动装置
单关节伺服控制器
控制系统
关节协调及其它信息交换计算机
感觉装置子
视觉装置子
智能系统
语言识别装置
图1-3工业机械手的组成方框图
执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。
从功能的角度，执行机构可分为：
手部、腕部、臂部、腰部和基座等。
手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。
有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部；腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分；臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用于带动腕部做平面运动；腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的平面运动，就能使腕部做空间运动。
腰部是执行结构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。
该部件必须有足够的刚度和稳定性。
工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。
传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。
驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。
控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成。
控制系统有两种方式。
一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。
另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。
它可分为两个部分：
感知系统和分析-决策智能系统。
前者主要靠硬件（各种传感器）实现;后者主要靠软件（如专家系统）实现。
.
1.2.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
（一）按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、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的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。
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。
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。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:
可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
3、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:
介质李源极为方便，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，用于工作主机的上、下料。
动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
（三）按控制方式分
1、点位控制它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、连续轨迹控制它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课题的提出及主要任务
1.4.1课题的提出
进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，将机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。
。
（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等）:
液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:
分的运动平稳性及正确性。
（2）工作时受温度变化影响较大。
油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。
（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。
（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。
鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，
气动技术有以下优点:
（1）介质提取和处理方便。
气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:
介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小（一般不卜浇塞仅为油路的千分之一），空气便于集中供应和远距离输送。
外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
（3）动作迅速，反应灵敏。
气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。
气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
（4）能源可储存。
压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
（5）工作环境适应性好。
在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
（6）成本低廉。
由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。
传统观点认为:
由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。
此外气源工作压力较低，抓举力较小。
虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
1.4.2课题的主要任务
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）用PLC对机械手控制的总体设计；
2第二章气动系统设计
2.14．1气压传动系统工作原理图
图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。
它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。
图4-1机械手气压传动原理图
各执行机构调速。
凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。
如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。
升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。
由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。
气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。
为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。
这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。
电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。
第三章机械手总体设计方案和气动回路的设计
本课题是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计。
本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。
在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。
因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
2.1机械手的运动规划
机械手运动规划包括序列规划（又可称为全局路径规划），路径规划和轨迹规划3个部分。
序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点。
再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间（若插补在关节空间进行则无需转换），形成各关节的运动轨迹。
序列规划为机械手的所有作业点生成一个最优的工作序列。
作业点是机械手为完成工作所必须达到的位置和姿态。
机械手的一次作业任务往往有几十个到上百个作业点，这些作业点的加工次序通常是任意的，或者仅仅存在局部的限制（即某几个作业点之间存在着固定的前后关系），序列规划的目标就是通过某种算法生成一个能满足作业限制的最优作业序列，一般以时间作为规划优劣的度量标准。
当机械手在有障碍物的环境中运动时，为了从当前作业位置到达下一个位置，需要在机械手工作空间确定一条无碰撞的运动路径，即这条路径应处于机械手的自由空间中，因此，路径规划的过程实际上是一个带几何约束的问题求解过程。
从上面的论述可以看出，机械手运动规划主要包括两个方面，一是生成所有作业点最优工作序列的序列规划，二是在相邻作业点之间生成无碰撞路径的路径规划。
序列规划和路径规划的总体目标是作业时间最短，规划的约束条件是作业顺序的限制以及碰撞的避免。
机械手运动规划的算法建立在已有的各种方法之上，下面简要分析已有的各种序列规划和路径规划方法，以及路径规划过程中的碰撞检测方法。
1．序列规划目前机械手序列规划方法的研究还处于发展阶段，由于各种作业任务的复杂性。
至今还没有通用的序列规划算法。
在使用机械手进行装配，插孔，点焊的应用中，较为普遍的方法是把序列规划问题转化为“旅行商问题”（TSP）来解决。
即机械手从起始点开始，经过一系列作业点，并在各作业点停留，完成所有作业后，最终回到起始点的时间最短规划算法。
旅行商问题的求解成为求解序列规划问题的关键。
目前，旅行商问题的近似最优解求解算法已经得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括启发式算法，模拟退火算法，遗传算法等。
其中启发式算法可以细分为环路扩充法和环路改进法，或是两种方法的综合，一般利用邻接矩阵按照一定的规则变换来求解，计算量和求解结果都能满足要求。
2．路径规划机械手路径规划的目标是在两个作业点之间生成一条无碰撞路径。
机械手路径规划算法主要有4类：
C-空间法，人工势力场法，假设-修正法，预处理-规划算法。
另外，遗传算法、神经网络算法等智能算法已经成为机器人路径规划的研究热点和发展方向，这些算法在实际中都有初步的应用，取得了较好的规划效果。
3．碰撞检测路径规划的目标是在起始点和目标点之间生成一条无碰撞路径，这使得碰撞检测成为解决路径规划问题的关键．上面提到的4种路径规划算法都需要进行碰撞检测或需要计算机器人和障碍物之间的距离。
判断两个物体是否有碰撞发生有两种方式，一是定性判断。
二是定量计算。
定性判断方法最主要有“包围盒层次法”，其基本思路是用一个简单的包围盒将复杂的几何形体围住。
当对两个物体进行碰撞检测时。
首先检测两者的包围盒是否相交，若不相交。
则说明两个物体未相交，否则再进一步对两个物体做检测。
因为求包围盒的交比求物体的交简单很多，所以可以快速排除很多不相交的物体，从而加速了算法。
对于复杂物体，可以将物体及其子部分的包围盒组成层次结构，如二叉树。
在各种机器人路径规划算法中，往往需要以机器人和障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度作为路径规划的启发性信息，以加快规划速度，因此在路径规划中不仅需要判断有无碰撞发生，还要计算机器人与障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度。
目前，两个刚性物体之间的距离计算有很多算法。
其中对凸多面体的计算最为成熟。
凸多面体之间的距离有两类：
分离距离和嵌入距离。
目前，凸多面体间的距离范数主要有平移距离、成长距离、收缩距离、伪平移距离等。
在现实环境中，机器人及障碍物一般是凹几何体，可以采用分割的方法把凹几何体分割为多个凸几何体的组合。
对一般凸几何体．如球、圆柱等，可以用紧包围它的凸多面体来近似。
然后用凸多面体间的距离近似原凸几何体之间的距离。
2.2机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
（1）直角坐标型机械手;
（2）圆柱坐标型机械手;（3）球坐标（极坐标）型机械手;（4）多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。
图2-1是机械手搬运物品示意图。
图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
其工艺流程：
机械手原位→机械手下降→机械手抓取并夹紧→机械手上升→机械手正转→机械手前伸→机械手下降→机械手松开→机械手上升→机械手后退→机械手逆转→退至原位停止。
图2-1机械手基本形式示意图
2.3机械手的主要部件及运动
在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有3个自由度：
手臂伸缩；机身回转；机身升降。
本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：
（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。
（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。
（3）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
2.4驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。
因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。
2.5机械手的技术参数列表
一、用途：
车间皮带机之间的搬运
二、设计技术参数：
1、抓重：
2Kg（夹持式手部）
2、自由度数：
3个自由度
3、坐标型式：
圆柱坐标
4、最大工作半径：
335mm
5、机身最大中心高：
415mm
6、主要运动参数：
手臂伸缩行程：
200mm手臂伸缩速度：
200mm/s
机身升降行程：
100mm机身升降速度：
100mm/s
机身回转范围：
0-190°机身回转速度：
60°/s
2.6气动回路的设计
机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，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，设计的气动回路图如图2-2所示。
图2-2机械手气动回路图
本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。
设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生产率。
3气动机械手的机械结构设计
3.1机械手末端执行器的设计
3.1.1末端执行器的概述
末端执行器是装在机械手臂的末端处，用于机械手完成作业任务而专门设计的装置。
末端执行器种类繁多，与机械手的用途密切相关，根据其用途，末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等种类。
搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。
加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。
测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。
在设计机械手末端执行器时，应注意以下问题；
1.机械手末端执行器是根据机械手作业要求来设计的。
一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机械手新的应用场所。
因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机械手末端执行器，将不断的扩大机械手的应用领域。
2.机械手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。
因此，要求机械手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。
3.机械手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。
万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。
目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机械手末端执行器。
从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机械手多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。
因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。
4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。
5.机械手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。
用计算机控制最方便的是电气式执行机构。
因此，工业机械手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。
3.1.2末端执行器的运动和驱动方式
末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。
按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种
1.气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。
由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。
另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。
这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。
电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。
但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。
3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。
3.1.3末端执行器的典型结构
1.楔块杠杆式手爪
利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。
2.滑槽式手爪
当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。
这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。
3.连杆杠杆式手爪
这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。
通常与弹簧联合使用。
4.齿轮齿条式手爪
这种手爪通过
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