1、摘 要工業機械手是模仿人的動作，按給定的程序、軌跡和要求來實現自動抓舉，實現了一定的搬運工件或是操作工具的自動機械裝置，它是按照設計給定的程序要求來實現自動抓舉，這些主要都是應用在了現代的工業生產上面。工業機器人具有多種多樣的功能，有的是多用的現代工業機械手，有的是專用的，是用來搬運材料、零件、工具，再編程序的多功能的機械手，或通過不同程序的調用來完成各種工作任務的特殊的裝置，提高生產的自動化的水平，和勞動的生產率。生產中應用機械手或機械人可以用來保證產品的質量，可以減輕勞動強度，實現安全生產，尤其是在高溫、高壓、低溫、潮濕、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環境中，代替人進行的正常的工作，意

2、義是非常的重大的，因此應用得越來越的廣泛。隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構成的關節型機器人，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優點，是應用最為廣泛的機器人之一。尤其由柔性關節組成的柔性仿生機器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。關鍵詞： 機械手 自由度 可編程控制器PLC1.緒論：1.1工業機械手的定義機器人是多們學科技技術的綜合的產物，而且隨著人類的進步，機器人也在不斷的去發展和完善。在科學界，科學家一般都會給每一個科技術語一個統一的明確的定義，但是到今天

3、為止，雖然機器人早在幾十年前就發明出來了，但是到現在，人們對機器人的定義依然是沒有統一的意見1。工業機械手是最初的機器人的鄒型，是人類最早發明的最早的現代機器人。它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動

4、（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度?？刂葡到y是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩定的閉環控制?？刂葡到y的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現所要功能。1.2執行機構機械手的執行機構分為手部、手臂、軀干；1.2.1手部手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔中

5、裝有傳動軸，可把運用傳給手腕，以轉動、伸曲手腕、開閉手指。機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節、固定關節和自由關節3種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般都是指真空吸盤或磁性吸盤。1.2.2手臂手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的3個自由度都要精確地定位。1.2.3軀干軀干是安裝手臂、動力源和各種執行機構的支架。1.3驅動機構機械手所用的驅動機構主要有4種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅

6、動用得最多。1.3.1液壓驅動式液壓驅動式機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統，由驅動機械手執行機構進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達幾百千克以上），其特點是結構緊湊、動作平穩、耐沖擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環境。1.3.2氣壓驅動式其驅動系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。1.3.3電氣驅動式電力驅動是機械手使用得最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大（關節型的持重已達

7、400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅動方式。由于電機速度高，通常須采用減速機構（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構等）。有些機械手已開始采用無減速機構的大轉矩、低轉速電機進行直接驅動（DD）這既可使機構簡化，又可提高控制精度。1.3.4機械驅動式機械驅動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構來實現規定的動作。其特點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，但不易于調整。其他還有采用混合驅動，即液-氣或電-液混合驅動。1.4控制系統機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度

8、、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續軌跡控制兩種?？刂葡到y可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可

9、以反復使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發生錯誤時就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件，則根據動作的復雜程序和精確程序來確定。對動作復雜的機械手，采用求教再現型控制系統。更復雜的機械手采用數字控制系統、小型計算機或微處理機控制的系統?？刂葡到y以插銷板用的最多，其次是凸輪轉鼓。它裝有許多凸輪，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉鼓運動一周便完成一個循環。1.5分類機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控

10、制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。多關節機械手的優點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產的需要，對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。多關

11、節手臂也突破了傳統的概念，其關節數量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據不同的場合有所變化，多關節手臂的優良性能是單關節機械手所不能比擬的。2.歷史與前景21歷史它是在早期出現的古代機器人基礎上發展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發展，特別是1946年第一臺數字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發展。同時，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人的開發奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發了遙控機械手，1948年又

12、開發了機械式的主從機械手。機械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手，它的結構是；機體上安裝一個回轉臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。隨著計算機和自動控制技術的迅速發展,農業機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應用可以提高勞動生產率和產品質量,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題。機械手首先是從美國開始研制的。 現代機械手的優勢是可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產品品質、安全性好、提升工廠形象。多關節機械手的優點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產的需要

13、，對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。多關節手臂也突破了傳統的概念，其關節數量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據不同的場合有所變化，多關節手臂的優良性能是單關節機械手所不能比擬的。22應用前景隨著網絡技巧的發展，機械手的聯網操作問題也是以后發展的方向。工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。2.

14、2.1市場需求機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。我國塑料機械已成為機械制造業發展最快的行業之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產業的高速發展主要有以下兩個大因素：一是對高技術含量裝備的需求所帶來的設備更新

15、及陳舊設備的淘汰;二是海內塑料加工產業的高速發展，對塑料機械的需求旺盛。2.2.2、應用領域2.2.2.1、業制造領域主要讓機器人在機械制造業中代替人完成大批量、高質量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產品（電視機、電冰箱、洗衣機）的制造等?；さ刃袠I自動化生產線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統的搬運、包裝等工作，也有部分是由機器人完成的。2.2.2.1、軍事領域主要讓機器人執行一些自動的偵察與控制任務，尤其是一些相對較為危險的任務，比如，無人偵察機、拆除炸彈的機器人及掃雷機器人等。機器人還可以代替士兵去完成那些不太復雜的工程及后勤任務，從而使戰士從繁重的工作中解脫出來，

16、去從事更加重要的工作。2.2.2.2娛樂領域機器人在娛樂領域的應用十分廣泛，比如，機器人足球大賽、機器人彈鋼琴和機器人寵物等。2.2.2.3醫療領域機器人主要用來輔助護士進行一些日常的工作，比如，幫助醫生運送用藥品及自動監測病房內的空氣質量，等等。宜用機器人還可以協助醫生完成一些難度較高的手術，例如，眼部手術、腦部手術等。美國還發明了一種可以進入人體血管的微型機器人，幫助醫生在病人的血管內滅殺病毒。2.3、意義近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔

17、性自動生產線的迅速發展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發展。現代控制理論的發展，使氣動技術從開關控制進入閉環比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內外都在大力開發研究1。從各國的行業統計資料來看，近30多年來，氣動行業發展很快。20世紀70年代，液壓與氣動元件的產值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業技術發達的歐美、日本國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業起步較晚，但發展較快。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產值的年遞增率達20以上，高于中國機械工業產值平均年遞增

18、率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現代控制技術的發展與應用，氣動技術已成為實現現代傳動與控制的關鍵技術之一。傳統的機器人關節多由電機或液(氣)壓缸等來驅動。以這種方式來驅動關節，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現關節的柔順運動較困難。而柔順性差的機器人在和人接觸的場合使用時，容易造成人身和環境的傷害。因此，在許多服務機器人或康復機器人研究中，確保機器人的關節具有一定的柔順性提高到了一個很重要的地位。人類關節具有目前機器人所不具備的優良特性，既可以實現較準確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關節所采用的對抗性肌肉驅動方式所決定的。目前模仿生物關節的驅動方

19、式在仿生機器人中得到越來越多的應用。在這種應用中為得到類似生物關節的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。氣動肌肉是人工肌肉中出現較早、應用較廣泛的一種驅動器，具有重量輕、結構簡單及控制容易等優點，在類人機器人、爬行機器人及康復輔助器械中得到了應用。其基本應用形式大都采用一對氣動肌肉組成關節的方式。氣動肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣動肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅動關節，這種方式克服了氣動肌肉變化長度較小的缺點，能夠實現大的轉動位移。而且由于其類似生物體驅動關節的方式，因此具有剛度和位置能獨立控制等仿生關節具有的優點。氣動機械手是集機械、電氣、氣動和控制于一體的典型機電一

20、體化產品。近年來，機械手在自動化領域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環境內，與電動和液壓驅動的機械手相比，顯示出獨特的優越性，得到了越來越廣泛的應用。3、機械手的結構設計3.1 本機械手模型的機能和特性物體在三維空間內的禁止位置是由三個坐標和圍繞三軸旋轉的角度來決定的，因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。根據資料的介紹，如果采用機械手，其機能要接近于人的上肢，則需要具有27個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉”來控制。我們不要那么多自由度，因為根據實際情況而言，控制的自由度越多，其各個部分也就越復雜，相應的制造成本也就增加。本設計的機械手，它共有自由度5個。即：手臂前后

21、伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉、手腕回轉、手指的抓握。 3.1.1、手部: 即與物件接觸的部件。由于與對象接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與對象直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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范圍大的工件。手指結構取決于被抓取對象的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和對象的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內

22、撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放對象的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。3.1.2、手腕:是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢) 3.1.3、手臂手臂是支承被抓對象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取對象，并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。 3.1.4、立柱立柱是支承手臂的

23、部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。3.1.5、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于機座上3.2 夾緊機構。機械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時要滿足迅速、靈活、準確可靠的要求。設計制造夾緊機構機械手，首先要從機械手的坐標形式，運行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據夾持物體的重量、慣性和沖擊力來計算。則同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化為擴大機械手的應用范圍，還需備有多種抓取機構，以根據需要來更換手爪。為防止損壞

24、被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內并鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結構。夾緊機構本身則結構簡單、體積小、重量輕、動作靈活、和工作可靠。夾緊結構形式多樣、有機械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。本設計采用機械式夾緊裝置。機械式夾緊是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉型、直進型；按夾持方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指數目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。本設計采用二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制

25、手爪的開閉。手爪的回轉則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位開關完成回轉角度的限位，一般可設置在180度。3.3 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。底盤是支撐機械手的全部重量并能帶動手臂旋轉的機構。底盤采用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉編碼盤旋轉，機械手每旋轉三度發出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉的角度。同時，在底盤上裝有限位開關，最大旋轉角度可達180度。手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運動的機構。本設計手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運動。手臂采用電動機帶動絲杠、螺母來實現伸縮和升降運動。由可編程控制器發出信號控制步進電機運轉

26、，同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖、位置精度較高，傳動效率較高。3.4 旋轉編碼盤機械手底盤和軀干每旋轉3度發出一個脈沖，并把信號送回可編程控制器來得到轉過的準確的角度。編碼盤的機構如圖3-1。圖3-1 旋轉編碼盤可以通過改變程序中計數器C0的初值來確定所要轉過的角度，這里可以通過用計算機讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。綜上所述，根據機械手的各部分要求條件可確定本設計機械手控制系統所選器材列表如表3-1。表3-1所選器材列表名稱型號或規格數量名稱型號或規格數量PLCFX1N-60MR1限位開關LX19-1118電磁閥VF31301轉換開關LW6

27、-51按鈕LA10-1H13熔斷器RC1A-30/152連接導線若干對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，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:充分分析作業對象(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并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、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣

28、動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環境惡劣，勞動強度大和操作單調頻繁的生產場合。3.5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。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。圖2-1所示為機械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。圖 2-1 機械手的運動示意圖Fig.2-1 Ske

29、tch Map of the Motion of Manipulator3.6 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。3.7機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。3.8 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、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向

30、移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現。3.9 機械手的驅動方案設計由于氣壓傳動系統的動作迅速，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。3.10 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，非常方便快捷。3.11機械手的主要參數主參數機械手的最大抓重是其規格的主參數，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數最多。故該機械手主參數定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物?；緟颠\動速度是機械手主要的基本參數。

31、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范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為1.2m/s，最大回轉速度設計為1200°/s，平均移動速度為lm/s，平均回轉速度為900°/s。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，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于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

32、種情況下宜采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1500mm，手臂安裝前后可調200mm。手臂回轉行程范圍定為2400(應大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。4.參數設計4.1手部的功能、分類手部（亦稱抓取機構）是用來直接把握工件的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸大小，重量，材料性能，表面狀況等的不同，所以工業機械手的手部結構是多種多樣的，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而設計的。歸納起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾

33、持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉型和手指平移型兩種：吸附類可分有氣吸式和磁吸式。 4.2夾鉗式手部設計的基本要求應具有適當的夾緊力和驅動力 ，手指握力（ 夾緊力）大小要適當，力量過大則動力消耗多，結構大，不經濟，甚至回損壞工件；還考慮轉送或操作過程中所產生的慣性和振動，以保證工件夾鉗安全可靠。手指應具有一定的開閉范圍 ，手指應具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便抓取或退出工件。 應保證工件在手指內的夾持精度 ，應保證每個被夾持的工件在手指內部有準確的相對位置。 要求結構緊湊，重量輕，效率高 ，在保證本身剛度，強度的前提下，盡量

34、可能使結構結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂的負載。應考慮通用性和特殊要求 ，一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法。4.3夾鉗式手部的計算與分析4.3.1手部選擇及原理敘述采用鉗爪式手部機構，手機形狀為平面指，傳力機構形式為滑槽杠桿式。 工作原理： 圖4-1 夾鉗式手抓形狀圖a鉗爪回轉支點O1或O2到對稱中心線的距離；b鉗爪回轉支點到“V”型鉗口中心線的距離；a滑槽方向與兩回轉支點（O1 與O2）間連接線的夾角。如圖4.1所示，拉桿2端部固定安裝著圓柱銷3，當拉桿2向上拉時，圓柱銷就在兩個鉗爪4的滑槽中

35、移動，帶動鉗爪4繞O1 與O2兩回轉支點回轉夾緊工件，拉桿2向下推時，使鉗爪4松開工件，設P為作用在拉桿2上的驅動力；N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關系如圖4-1所示，下面分析圓柱銷3和鉗爪4的受力情況。在拉桿2作用下，圓柱銷3向上的拉力為P，并作用于圓柱銷的中心O點，而兩鉗爪的滑槽對圓柱銷的作用力為P1,P2（且P1=P2），其力的方向垂直于滑槽軸線OO1或OO2,指向O點其延長線分別交于B,A兩點，如圖2-1所示，三角形O1OB和三角形O2OA均為直角三角形，故AOC=BOC=a根據圓柱銷的平衡條件F=0可知，P=2P1cosa，則P1=P/（2cosa） （2-1）如2-1所示，圓柱銷對鉗

36、爪的反作用力為P1，其大小與P1相等，即P1=P1,且方向相反，工件對鉗爪的反作用力大小等于夾緊力N，按照鉗爪的平衡關系M01=0得P1h=Nb N=h P1/b=h P1/b因為h=a/( cosa) 所以N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P （2-2）由（2-2）式可知，在驅動力P一定的情況下，a增大，則夾緊力N也隨之增大，但a過大導致拉桿（有時即為活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大使手部結構加大，所以一般取a=30°40°為宜。4.3.2夾鉗式手爪設計（手指夾緊力與驅動力計算）由資料可知手指對工件的夾緊力可按下式計算：NK1*K2*K3*G (2-

37、3)其中：K1安全系數，常取1.2-2；K2工作情況系數，主要考慮慣性力影響，可按K2=1.1-2.5或K2=1+a/g估算（a為機械手在搬運工件過程中的加速度m/s2,g為重力加速度）K3方位系數，根據手指與工件的形狀及手指與工件位置不同進行選定，設計中選取K3=4；G被抓取工件的重力。G=3*9.8=29.4N假設K1=1.5 K2=1.5 K3=4夾緊力N：N1.5×1.5×4×29.4=264.6N而由前面所得N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P則驅動力P：P(2b*N)/a*(1/ cosa) 2 (2-4)2.3.2.2手指結構尺寸的確定由圖2-

38、1所示，手部結構相關手指尺寸設定如下：a=30° a=40 b=60驅動力P計算=2b*a(cos30°)2*264.6=595.35考慮手爪的機械效率 （2-5）式中手部機構的機械效率（0.850.9）取=0.85P實際=700.412N所夾工件形狀及尺寸如下：（mm）,工件質量3，密度7.85g/cm3的碳鋼 設h=10cm 則r=3.5圖4-2工件形狀4.3.2手指夾緊油缸的設計計算手指的夾緊采用雙作用單桿活塞油缸，共計算簡圖如下：4.3.2.1計算作用在活塞上的總機械載荷P=PI+P封1+P封2+P背+P慣 （2-6）PI為工作阻力，即手部傳力機構的驅動力，用以保持

39、機械手的手指夾緊工件有足夠的握力，由前面計算可知：PI=700.412NP封1，P封2為活塞與缸壁處，活塞桿與缸蓋處的摩擦力，密封圈用O型密封圈，當油缸工作壓力不大于100公斤/厘米2時，活塞桿直徑取為油缸內徑的一半，活塞和活塞桿處都采用O型密封圈密封時，油缸密封處總摩擦力為：P封1+P封2=0.03P （2-7）式中：P作用在活塞桿上的推力（即驅動力，P=*D*D*P1/4 P1為進油壓力，D為油缸內徑），P背為背壓阻力，油缸回油腔低壓油所造成的阻力一般較小，當回油腔直接與郵箱相連時，P背=0P慣動負載，由上可得P=PI+P封1+P封2+P背+P慣=722.074N4.3.2.2確定油缸尺寸

40、油缸內徑（即活塞的直徑）計算：油缸工作時，進油腔壓為油液作用于活塞上的合成液壓力即驅動力應與活塞桿上所受總機械載荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面積為：F=P/P1 F=*D*D /4 郵箱內徑（即活塞直徑）為 (2-8) 式中P1油缸工作壓力，取P1=10kg/cm2,則=30.673 取油缸的內徑（即活塞直徑）D=32mm,由當前知當油缸工作壓力小于100kg/cm2,活塞桿直徑可以直接取油缸的一半，活塞桿直徑d=16mm。油缸壁厚計算：在D確定后，由強度計算所需最小的油缸壁厚，再根據具體的結構來確定適當數值：由材料力學的薄壁筒公式，油缸壁厚可用下式來計算：=P記*D/2=mm油缸端蓋螺釘計

41、算螺釘除應與應具有的強度之外，還要保證連接的緊密性，同時在缸蓋所受的合成液壓力的作用下連接已迪昂要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油，每個螺釘在危險剖面（螺紋根部橫截面）上承受的拉力Q0是工作載荷，Q與剩余鎖緊力QS之和，即Q0=Q+ QS （2-9）Q=(*D*D /4)/Z*P1P 為缸蓋所受的合成液壓力（公斤），Z為螺釘數目：Z=*D0/t1, D0為螺釘中心所在圓的直徑（毫米），t1為螺釘間距，當工作壓力在515公斤/厘米2時，t<150mm;P1為油缸內油液工作壓力（公斤/厘米2）；QS剩余鎖緊力，對于要求緊密性的聯接，取QS=K*Q K=1.51.8 因此螺釘的強度條件為

42、合=1.3 Q0/（*d1*d1/4）=5.2 Q0/（*d1*d1）L(公斤/厘米2) 或 d1=(5.2* Q0/L)1/2(厘米) （2-10）式中：L許用拉應力 L=S/n(公斤/厘米2) S為螺釘材料的流動極限，n為安全系數，n =1.22.5,取n=1.5，d1為螺紋內徑表4-3螺釘材料屈服極限鋼號 10A2A3354540CrSMPa2100220024003200360065009000由上選夾緊缸螺釘材料為35號鋼，則：L=S/n=3200/1.5=2133.33(公斤/厘米2)Z=*D0/t1=3.14×60/60=3.14 所以Z取4。Q0=Q+ QS=Q+KQ

43、, Q0=(*D*D /4)/Z*P1+1.5(*D*D /4)/Z*P1=2.5×3.14×3.22*10/(4×4)=50.24(公斤)d1(5.2* Q0/L)1/2=0.1975（厘米）則取夾緊缸蓋螺釘直徑為2mm數目為4個。手指夾緊缸流量的計算當壓力油壓入無桿腔使活塞以速度V1而運動時所需輸入油缸流量為Q1，Q1=/40*D2*V1 (2-11)D油缸內徑（即活塞直徑）厘米Q1輸入無桿腔流量（升/分）V1活塞移動速度（米/分）因夾緊缸行程由前分析可知為20mm，故夾緊缸活塞夾緊速度V即活塞移動速度可取為V1=0.6（米/分）（10mm/s）Q1=/40&

44、#215;3.22×0.6=0.482（升/分）當壓力油壓入有桿腔使活塞以速度V2而運動時所需輸入油缸流量為Q2，Q2= /40*(D2-d2)*V2 (2-12)D油缸內徑 d活塞直徑,由設計可知當壓力油進入夾緊缸有桿腔時為手指松開，故其速度可取大些，由行程20mm可取V2=0.9（米/分）經考慮本次設計省略腕部設計，便于設計簡單，使成本降低，達到更好的經濟效益。5.電氣設計5.1 電氣控制系統簡介工業機械手的電氣控制系統相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協調機械手與生產系統之間的關系。機械手的工作順序，應達到的位置，如手臂上下移動，伸縮，回轉及擺動，手腕上下，左右擺動和回轉，

45、手指的開閉動作，以及各個動作的時間，速度等，都是在控制系統的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標軸的動作按照預先整定好的程序來實現的。一般機械設備的控制系統，多著眼于自身運動的控制，而機械手的控制系統更注意本部與操作對象的關系。因此，對于機械手的控制系統來說，無論多么高級的系統，如果不能按置，都是毫無意義的?？刂葡到y的結構一般分為開環系統和閉環系統兩種閉環控制系統也叫反饋控制系統，是一種不斷把給定值和各控制量進行比較，使其偏差為零的控制系統。而開環控制系統，即使有局部的小的閉環存在，但主要控制量是不用反饋控制的。對比兩者，通常閉環系統的抵抗外部干擾和系統中主要單元的特性變化和能力強，而開環系統較弱。機械手的閉環系統控制受各種因素的影響，如外部負荷力，活動部分的內部摩擦，伺服閥的漂移，滯后，比較儀，伺服放大器的漂移，隨動系統的粘滯性摩擦，反向電動勢的影響等導致閉環控制系統產生靜態誤差。因而閉環控制的精度和定位時間等控制性