机电一体化毕业论文：自动换刀机械手的结构设计及PLC控制-机械结构设计.doc

1、编号淮安信息职业技术学院毕业论文题目自动换刀机械手的结构设计及PLC控制机械结构设计学生姓名学号42011137系部电气工程系专业机电一体化班级420111指导教师顾问教师二一三年十月摘要I摘要随着数控技术的应用与发展，零件加工的辅助时间大大降低了，极大的提高了生产效率。伴随着科学技术的发展和生产力的提高，使数控机床发展成为机械加工中普遍应用的一种更先进的制造方法叫做加工中心。大多数加工中心都带有能够自动换刀装置的换刀系统，并按照程序实现自动加工。气动机械手具有简单的机构、动作灵敏、节能、环保、可靠性高、可实现无级调速等优点。为了提高机械手的应用范围，让每一个机械手拥有不同的使用特性，所以对机

2、械手的结构进行模块化设计。特将其分为若干个模块，其包括立柱、基座、手臂、手部、手腕等模块。为了满足不同的使用特性和功能，我们可以通过选择不同的模块进行组合。当产品的使用性能发生变化时，我们可以根据需要对部分模块进行修改或从新改造，这样即节省了设计成本，又提供了设计效率。经过对机械手在结构和运动方面上的分析后，采用电气气压伺服控制技术对机械手进行控制和驱动，气动执行元件根据电气控制信号的要求，驱动负载元件执行相应的动作。关键词自动换刀机械手电气气压伺服控制ABSTRACTIIABSTRACTWITHCNCTECHNOLOGYAPPLICATIONANDDEVELOPMENTOFAUXILIARY

3、PARTSPROCESSINGTIMEISGREATLYREDUCED,GREATLYIMPROVINGPRODUCTIONEFFICIENCYWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYTOIMPROVEPRODUCTIVITYANDMAKECNCMACHININGDEVELOPINTOAMOREUNIVERSALAPPLICATIONOFADVANCEDMANUFACTURINGMETHODCALLEDMACHININGCENTERSMOSTMACHININGCENTERSWITHAUTOMATICTOOLCHANGERCANATCSYSTEM,ANDF

4、OLLOWTHEPROCEDURESFORAUTOMATICPROCESSINGPNEUMATICMANIPULATORHASASIMPLEMECHANISM,SENSITIVE,ENERGYSAVING,ENVIRONMENTALPROTECTION,HIGHRELIABILITY,CANREALIZESTEPLESSSPEEDREGULATIONANDOTHERADVANTAGESINORDERTOIMPROVETHEAPPLICATIONRANGEOFTHEROBOT,SOTHATEACHROBOTHASDIFFERENTUSAGECHARACTERISTICS,SOTHESTRUCTU

5、REOFTHEROBOTMODULARDESIGNSPECIALWILLBEDIVIDEDINTOSEVERALMODULES,INCLUDINGCOLUMNS,BASE,ARMS,HANDS,WRISTSANDOTHERMODULESINORDERTOMEETDIFFERENTFEATURESANDCAPABILITIES,WECANCHOOSEADIFFERENTMODULECOMBINATIONSWHENPRODUCTPERFORMANCECHANGES,WEMAYNEEDTOMAKECHANGESONTHEPARTOFTHEMODULEORRETRANSFORMATION,SOTHAT

6、THEDESIGNCOSTSAVINGS,BUTALSOPROVIDESADESIGNEFFICIENCYAFTERTHEMANIPULATORONTHESTRUCTUREANDMOTIONANALYSIS,THEUSEOFELECTRICSERVOCONTROLTECHNOLOGYOFTHEPNEUMATICMANIPULATORCONTROLANDDRIVE,PNEUMATICACTUATORSACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEELECTRICALCONTROLSIGNALTODRIVETHELOADELEMENTTHEAPPROPRIATEACTIONKEYW

7、ORDSAUTOMATICTOOLCHANGEMANIPULATORELECTROPNEUMATICSERVOORIENTATION第一章绪论III目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111换刀机械手概述112选题背景113设计意义114论文的主要工作2第二章机械手总体设计方案421机械手类型4211根据机械手的应用范围分类4212按机械手手臂的运动坐标型式分类4213按机械手的驱动方式分类422机械手的坐标形式与自由度523机械手工作过程及工步时间分配6231确定完成动作及顺序6232工步时间分配824机械手的结构设计方案925机械手的驱动方案9第三章机械手的机械系统设计1231机械手伺

8、服系统设计12311气动伺服系统设计12312电气伺服阀1332机械手执行机构设计15321机械手手部设计16322手臂结构设计16323基座结构设计20第四章总结与展望2241总结2242展望22致谢24参考文献25第一章绪论1第一章绪论11换刀机械手概述换刀机械手是由集控制器、传感器和伺服驱动系统为一体的机电一体化产品，它模仿人的操作，可实现自动控制、重复编程、能够完成各种复杂的动作。它能在提高生产效率的同时，提高产品质量，对改善劳动条件，促进产品的更新换代起着促进作用。机械手的使用情况，标志着一个国家工业自动化水平的高低。机械手并不是简单的代替人的体力的劳动，而是将人的智慧体现在机器上。

9、是机械人具有人的快速反应和分析判断能力，又有具有高精度、高强度持续工作的能力，并且能够适应比较差的环境，我们可以说机械手是工具进化的产物。随着自动化技术的发展，机械手已经广泛的应用在机械加工、自动换刀、流水线上生产及装配、上下料等。但是大多数机械手的专用型比较强，每台机器上的机械手在不改造的情况下，很难在其他机器上使用。由于机械手能很大程度上提高生产效率，简化机械加工的程序，所以它在机械加工中得到广泛的应用。12选题背景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、自动化生产过程中产生的一种新型装置。机械手之所以更好的结合机械和自动化技术，得力于电子计算

10、机的快速发展，使得机械手的生产与设计已经成为一门新兴技术产业。我们可以把一些高危险、机械式重复而枯燥的工作交给机械手，这样既减轻我们的体力劳动，又提高了生产效率。机械手在以下行业得到广泛的应用，比如，零件的装配、工件的搬运与拆卸、以及在数控机床上的自动换刀系统。为了把机械手和机床的有机结合在一起，机械手随着科学技术的发展，已经发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中一个重要组成部分。它主要应用在中小批量的生产，它可以省去工件运输工具。而柔性生产系统比较适用于产品更新换代比较快的品种，这样既可以保证产品质量的稳定性，又能更好的适用于市场发展的需求。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

11、还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技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。13设计意义本设计通过对大学三年所学的知识进行整合，完成一个通用形式的普通圆棒料搬运的自动换刀机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。淮安信息职业技术学院毕业设计论文2目前，在国内很多工厂的生产中圆棒料的搬运摆放仍由人工完成，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

12、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。为了提高生产率，我们特意设计了应用性比较广泛的自动换刀机械手，从减轻工人的机械式体力劳动。在现在的机械加工中，机械手手的普遍应用具有十分重要的意义。具体概括如下1、以提高生产过程中的自动化程度机械手的应用可以实现材料自动运输、工件的安装与拆卸、自动换刀以及零件的装配，从而节省大量不必要的时间。2、以改善工作条件，提高人身安全比如，一些高温、高压、噪声比较大、高污染的工作环境、以及对人体有大量伤害的有毒气体和放射线，一般这样的环境不适合工人长时间在里面工作，所以机器人的使用无疑是比较好的选择。机器人基本上可以代替人

13、的大量机械式重复劳动，这样不仅可以减轻工人的劳动强度，还可以改善劳动条件，提高工人的安全性。有一些简单的工作总是机械式的重复操作，时间长了很容易造成工人的极度疲劳或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。3、可以减轻人力，让工作更有秩序比如，机械手可以代替我们去完成枯燥无味而又机械式重复的工作，这样既可以减少人力，又可以保证一定的工作精度。还有一些流水线上的工作，本来就需要大量的人力资源，而且又需要比较高的工作效率和工作精度，但是有些工人却不能跟上流水线的速度，这就很容易造成流水线上工作秩序的混乱，严重的影响生产效率的提高。由于自动控制技术的快速发展，特别是机器人的发展，让机器人反映更加灵敏，机

14、械精度更高，完全可以跟上比较缓慢的流水线，这样是整个流水线更加有秩序。综上所述，机械手使以后的工作更加有效率，是未来机械工业发展的趋势。14论文的主要工作针对本次设计的要求，并总结自动换刀机械手的工作原理，我做了一下工作1、刚开始时，主要是从指导老师那里找一些资料，并综合这些资料，初步设计出本次毕业设计的目录。2、为了使内容更贴近设计的要求，我在校图书馆查阅了很多关于机械手方面的资料，并综合这些资料，然后记录重要成分，最后把这些资料应用到所做的设计当中。ABSTRACT33、整合所有资料，并根据设计要求，做出设计的雏形论文，最后将内容排版，初步完成设计论文。4、将做好论文交给指导老师查看，指导

15、老师对我所做的论文内容及格式中出现的不足做出指导，然后我根据老师的要求再次对论文做出修改，如此反复，最后将论文定稿。5、根据论文内容进行答辩。淮安信息职业技术学院毕业设计论文4第二章机械手总体设计方案21机械手类型211根据机械手的应用范围分类1专用机械手一般没有单独的控制系统，而且只有固定的控制程序。这种机械手结构比较简单，制造成本较低，适用于动作比较简单且工作量比较大的场合。它通常安装到某种机器或生产线上，用来自动传送物件或夹持某种工件或刀具等操作功能。2通用机械手具有独立专门的控制系统，并且控制程序可以根据需要进行修改。可以安装在各种机器上，能独立完成工件的夹持与搬运以及刀具的安装与拆卸

16、。通用机械手因其工作方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是分散的点动控制，故属于程序控制类型，而伺服型是集点位控制和连续轨迹控制于一体的控制方式，通常认为属于数字控制模型。这种机械手因手指结构可以根据需要更换，程序可以由用户改换，可用于中、小批次的生产。但因其运动和结构复杂性，所以需要较高的设计要求，造成成本过高。212按机械手手臂的运动坐标型式分类1直角坐标式机械手手臂具有X、Y、Z三个方向上的自由度，即分别可以沿X、Y、Z三个直角坐标轴的方向上往返运动。我叫做机械手的前后伸缩、上下升降和左右移动。2圆柱坐标式机械手手臂可以沿X和Z两个直角坐标轴移动，以及绕Z轴的转动，我们叫做机械

17、手的前后伸缩、上下升降和左右摆动。3球坐标式机械手臂沿X轴方向上的移动，以及绕Y轴和Z轴的转动。即机械手臂可以完成前后方向的伸缩、上下方向的摆动和左右方向上的转动。4多关节式机械手臂此机械手的臂部可化分成大臂和小臂两个部分。可以用铰链将大小臂以及大臂和机体进行连接起来。即小臂可绕大臂上下摆动，同时大臂也可绕机体多角度摆动。机械手手臂的运动坐标型式如图21所示213按机械手的驱动方式分类由于工作的需要，特将机械手按驱动方式进行了如下分类L以压力油进行驱动的液压驱动机械手2以压缩空气进行驱动的气压驱动机械手3直接用电动机进行驱动的电力驱动机械手4将发动机的动力通过动力传动机构传给机械手的一种驱动方

18、式叫做机械驱动机械手。综合各种技术要求，我们选用圆柱坐标型气压驱动机械手。本课题要求机械手具有较高的的定位精度、较快的反应速度，比较大的承载能力，以及工作空间第二章机械手总体设计方案5比较宽广和灵活的自由度，并具有自动定位的能力。拟定机气动机械手设计的原则是根据工作对象的工作条件、运动要求和定位精度，从分利用现有的机械设计条件和设计能力，在满足机械手各方面上的使用要求的前提下，选择最经济的设计方案。并尽量选择标准件进行设计，这样既可以简化设计过程，又可以在较低的制造成本上，提高产品的通用性。图21机械手手臂的运动坐标型式22机械手的坐标形式与自由度根据机械手手臂运动形式和自由度的不同，通常将其

19、划分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节坐标型，它们的特点如下1、直角坐标型1有三个方向上的直线自由度，简单易懂。2机械结构简单。3对一定的结构长度，宜采用两端支持，刚性比较好。4因其移动空间比较大，侧该机构占用空间大。5必须在较大的空间进行安装。6很难对各滑动部件进行密封，侧容易受到污染。2、圆柱坐标型淮安信息职业技术学院毕业设计论文61同样结构简单易于设计。2若要求有较大的动力输出，直线部分可采用液压进行驱动。3可以将机械手部分伸入到机器的型腔内部。4机械手的气爪部所能到达的空间受到限制，很难接触到立柱和地面的位置。5直线驱动模的密封性、防尘及防御腐蚀性较差6手臂收缩时，手臂后端只能

20、在一定的工作范围内运动。3、球坐标型1工作范围较大的地方在中心支架附近。2直线驱动部分存在密封性差的情况。3需要较大的工作空间。4也有工作死区部分。5转动部分密封比较容易。6由于坐标系很复杂，设计较困难。4、多关节坐标型1工作空间比较宽广，并且动作较灵活。2关节的密封性比较好。3可以在水下等要求比较低的工作条件下工作。4电动机比较容易实现动力的提供。5其运动状态比较难以控制，机械结构的设计比较困难，不适合用液压进行驱动。可以将机械手的运动分为主运动和辅助运动。机械手的主运动包括立柱和手臂的运动，因主运动改变了工件空间的空间状态。辅助运动包括手指和手腕的运动，因为他们分别改变工件的姿态，以及工件

21、的位置和方位。为了使机械手具有升降、伸缩和回转运动，故选用圆柱坐标型机械手，因此机械手得到三个自由度。为了弥补立柱升降过程中造成的较大的震动和手臂的伸缩造成的机械刚度不足，我们增加了一个具有短行程升降的小臂结构，从而使机械手将刀具从刀库中拔出，即在竖直方向上增加了一个自由度。所以，机械手总共具有四个运动自由度。图22为机械手的运动示意图。我们称升降行程比较大部分为立柱，行程较小的升降部分为小臂。有时为了增加机械手的通用性，我们可以增加手腕部，使其具有回转运动。此机械手省略手腕部分。23机械手工作过程及工步时间分配231确定完成动作及顺序换刀机械手的布局示意图如图23所示。图中换刀机械手的初始位

22、置在与刀第二章机械手总体设计方案7架垂直90且气爪正对刀库换刀位置。即机械手均运动到水平和竖直方向上的极限位置。为了机械手和刀具恰好对齐，本控制系统采用刀座编码法对各种刀具进行编码，并根据需要使刀库旋转适适当的角度。机械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下几个动作1水平伸出机械手水平机构伸出70MM，到达刀库正上方。2竖直下降小臂升降机构下行30MM，使手部夹持机构到达与刀柄水平的位置。3夹紧手臂机构迅速夹紧刀柄。4竖直上升待刀柄被夹紧后，小臂升降机构上行30MM，将刀具提出刀库。5水平收缩水平机构快速收缩70MM，整个机构回到初始位置。6摆动机械手逆时针摆动90，使机械手正对刀架。7竖直下降、

23、松开小臂升降机构下行30MM，将刀具放在刀架上，同时手部机构松开工件。8竖直上升小臂升降机构上行30MM，回到原始极限位置。9摆动机械手顺时针摆动90，回到初始位置。当机械手完成换刀动作后，刀架上的推爪把刀具从刀架的一端推向另一端，到此，就将机械手的整个换刀动作完成。图22机械手的运动示意图淮安信息职业技术学院毕业设计论文8图23换刀机械手布局示意图232工步时间分配经研究决定机械手完成整个换刀过程需要55S，根据上述换刀的各个过程，对时间进行分配，如表21所示表21机械手运动过程与时间分配工步号工步名称行程（MM）预分配时间（S）1水平伸出70052垂直下降30033夹紧14竖直上升3003

24、5水平收缩70056摆动（逆时针）90107竖直下降3003松开038竖直上升30039摆动（顺时针）9010总计55第二章机械手总体设计方案924机械手的结构设计方案本方案采用模块化的设计方法，机械手包括以下几个模块立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个模块。为了满足4个自由度的要求，本机械手采用圆柱坐标形式。为了满足实际工作要求，本机械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪几个模块。其结构示意图如图24所示25机械手的驱动方案机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。1、液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点1能够输出较大的力和力矩，同时能够快速响应，

25、定位精度比较高。2可以把机械手的一部分用作液压缸，这样既可以实现直线运动，又可以使其结构简单。3可以方便的实现变速和方向控制，自动化程度比较高。A手动摆动气缸B升降气缸C伸缩气缸D小臂E气爪1基座2手臂关节3手腕关节4导向机构5定位挡块图24气动机械手的结构简图4液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。但液压系统由于产生泄露而造成运动精度不高。同时系统发热量比较大，很难找出小的故障。2、气压驱动淮安信息职业技术学院毕业设计论文101机械结构简单，气体选取方便，并且干净环保。2在管路中压缩空气流动速度比较快，所以该系统动作响应比较快。3与液压控制系统相比，其工作压力比较低。与液体相比，

26、气体体积比较大，且气动宜被压缩，所以其定位精度不高，噪声比较大。3、电动机驱动电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需要用减速机构来获得较大的输出力矩,但是因为其惯性力矩比较大，所以要实现精确控制比较困难，适用于重型机械的控制。伺服电动机和步进电机因其输出力矩较小，侧控制性能相对较好，可以对速度和位置的精确控制，适用于中、小规模的机器中。步进电动机一般用于开环控制系统，而交、直伺服电动机主要用于闭环控制系统，因为他们的控制精度不是很高。各种驱动方式及特点如表22所示。表22各种驱动方式及特点的比较驱动方式特点输出力控制性能维修使用

27、结构体积使用范围制造成本气压驱动气压压力低，输出力较小，如需输出力大时，其结构尺寸过大可高速，冲击较严重，精确定位困难。气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响体积较大中、小型专用机械手或机械手都有应用结构简单，能源方便，成本低液压驱动压力高，可获得大的输出力油液不可压缩,压力、流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小中小型专用机械手或机械手都有应用，中型机械手多为液压驱动液压元件成本较高，油路也较复杂电力驱动异步电动机、直流

28、电动机输出力较大控制性能较差，惯性大，不易精确定位维修使用方便要减速装置，体积较大适用于速度低、抓重大物体的专用机械手成本低步进或伺输出力较小容易与CPU连接，控制性能维修使用较复杂体积较小可用于程序复杂、运成本较高第二章机械手总体设计方案11服电机好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂动轨迹要求严格的工业机械手机械联动输出力较大速度较高，速度与加速度均由机构控制。定位精度高，可与主机严格同步。不易与CPU连接维修使用方便自由度多时，机构复杂，体积也较大适用于自由度少，速度较高的专用机械手结构简单，成本低综合进行各方面的比较，我们选择气压驱动系统，应为其结构简单、价格便宜、工作稳定、污染几乎为

29、零、可以在高温环境下工作、同时还可以抵抗各种电磁干扰等优点，在当今机械加工中应用比较广泛。淮安信息职业技术学院毕业设计论文12第三章机械手的机械系统设计31机械手伺服系统设计311气动伺服系统设计本课题机械手要求能实现伸缩、回转、升降等的动作，每一个动作都是由电气气压伺服系统驱动的，其原理相同。下面以机械手伸缩运动为例阐述伺服系统的工作原理。机械手伸缩运动的电气与气压伺服控制系统原理图如图31所示，1放大器、2电气伺服阀、3气缸、4机械手手臂、5齿轮齿条机构、6电位器和7步进电机等元件组成，它组成了一个电气与气压伺服控制系统。当电位器的触头处于中位时，触头上没有电压输出。当它偏离这个位置时，由

30、于产生了偏差就会输出相应的电压。电位器触头产生的微弱电压，经放大器放大后对电气伺服阀进行控制。电位器触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的偏转方向以及角位移和角速度由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。齿条固定在机械手臂上，电位器壳体固定在齿轮上，所以当手臂带动齿轮转动时，电位器壳体同齿轮一起转动，形成负反馈。1放大器2电气伺服阀3气缸4机械手手臂5齿轮齿条机构6电位器7步进电机图31机械手伸缩运动电气气压伺服系统原理图机械手伸缩运动伺服系统的工作原理是由数字控制装置发出一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器的动触头转过一定的角度假定为顺时针方向转动，动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经放

31、大器放大后，输入给电气伺服阀的第三章机械手的机械系统设计13控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这时，压缩空气经阀的开口进入气缸的左腔，推动活塞杆连同机械手手臂一起向右运动。由于齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，因而手臂向右移动时，电位器随之作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电气伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，手臂缩回。根据模拟换刀机械手的动作要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种1直线运动缸体固定，活塞杆作直线运动；2摆动缸体固定，活塞

32、杆摆动。总的电气气动系统原理图如图32所示图32机械手气动伺服系统图312电气伺服阀电气伺服控制属于连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而变化，输出量与输入量之间存在一定的关系。由于电气元件具有多方面的适应性，信号的检测、传输、综合、放大等都很方便，而且几乎各种物理量都能转换成电量，故气动伺服系统中的输入量以电信号居多，转换元件便以电磁式居多，其典型代表便是比例电磁铁。它是利用电磁力作用在转换元件的可动部件上，通过其中的弹性元件转变为位移，通过此位移淮安信息职业技术学院毕业设计论文14来调节气动放大器放大元件的节流面积，从而控制通过气动放大器的气体压力或流量。电气伺服阀是由电机械转换器转换元

33、件和气动放大器放大元件所组成。驱动电机械转换器的功率一般只需几瓦，而气动放大器的输出气流的功率可达几千瓦。气动放大器的结构形式有滑阀、喷嘴挡板阀等。本机械手采用喷嘴挡板式的电气伺服阀，来确保连接机械手手臂的气压缸按所要求的控制规律和定位精度工作，工作过程大致如下如图33所示，若伺服放大器输出的偏差信号即设定的指令信号与反馈信号之差经放大后，加到气压伺服阀的电磁线圈上，则永久磁铁和电磁线圈间产生相吸或相斥的电磁力，使端部装有挡板的杆件偏离中间平衡位置绕支点左右摆动，挡板使对称布置的两个转换器结构原理如图34喷嘴处的气体流量发生不均等的变化，因而造成一侧喷嘴背压腔压力升高，另一侧转换器喷嘴背压腔压

34、力降低，则负载气缸左右腔压力不等，活塞杆连接机械手手臂移动，实现工作要求的运动规律。现假定以右侧转换器为例考察其动作原理，当杆件在偏差信号作用上偏离中向平衡位置移向右侧转换器，由于挡板与喷嘴间隙减小，则随着喷嘴背压腔内压力升高，A腔压力升高，使带有喷嘴的阀座右移，把菌状提动阀推向右方，使D腔菌状阀口开大，而C腔的小菌状提动阀阀口关闭，这样，由进气口流入的控制气流经过节流阀调节针阀流向气压缸，驱动活塞杆工作；与此同时，相反一侧的左转换器各腔符合同右侧，只是符号右上脚打“”来表示左侧，以下同，由于杆件端部的挡板与喷嘴间的间隙增加，造成左喷嘴背压腔压力降低，而使左侧带喷嘴的阀座在C腔与右侧C腔相对应

35、压力作用下向右移动，菌状提动阀在左侧弹簧力作用下使左转换器D腔的阀关小，而C腔的阀开大，则气缸左端与排气孔相通，压力下降，实现活塞杆向消除偏差信号方向移动即活塞左向移动偏差信号为零时，左右侧两个转换器的输出相等，这样气缸活塞停止在新的相对平衡位置上。第三章机械手的机械系统设计15图33电气气压伺服阀工作原理图上图中，零位点调整弹簧左右端均与带挡板的杆件相联，起着机械零位调整和对中弹簧补偿作用；增益调整弹簧在偏差信号为零时即输出压力处于平衡状态时，不与杆件接触，当偏差信号超过某一数值后才接触。它的作用是根据偏差信号大小改变补偿流量增益的变化，确保气缸定位精度的稳定。另外，采用喷嘴挡板控制的菌状提

36、动阀，抗污染性能强，不容易堵塞。32机械手执行机构设计执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。其中，每个执行机构都要进行相应的气动元件设计，必要的还要加装导向装置。气动元件的计算与选择，对整个气动系统有着至关重要的作用。所选择的元件既要满足淮安信息职业技术学院毕业设计论文16系统的性能要求，又不能浪费。下面分别对各驱动元件进行计算与选择，并设计机械连接件与导向装置。图34转换器原理图321机械手手部设计进行机械手设计时应考虑以下问题1应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小是不同的。2手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。

37、3在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。4应保证手抓的夹持精度。通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，他在气压的控制下实现手抓的闭合。图35为常见的滑槽杠杆式手部结构。322手臂结构设计手臂是机械手的主要部分，它是支撑被抓物件、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。前面已经叙述了，按照抓取工件的要求，本机械手有四个自由度，即手臂的伸缩、小臂第三章机械手的机械系统设计17的升降、立柱的回转和升降运动。对手臂结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高

38、、节约材料和动力，同时减少运动的冲击；二是要有足够的刚度，以保证运动精度和定位精度。手臂的结构设计重点是驱动力的计算。图35滑槽杠杆式手部结构1、小臂升降模块小臂升降模块安装在手臂伸缩模块上，其作用是将模拟刀具从刀库插孔刀架槽中提出或插入，采用单杆双作用气缸。对于直线运动气缸的缸径，可按载荷/安全系数选取。气缸活塞杆的稳定性与工作压力、安装形式、最大行程有关，即使气缸不受横向载荷也需要加上导向装置，保证气缸按正确方向运行。1气缸内径的确定由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力，利用下述公式可计算出缸径D。当活塞杆输出推力克服载荷做功时4D1PLF（31）淮安信息职业技术学院毕业设计论文18

39、式中D气缸内径MF1活塞上的推力或称工作载荷NP初选的工作压力PA，一般为P051MPA总机械效率，当气缸动态性能要求工作颧率高时，取0305。速度低时取大值，速度高时取小值。气缸动态性能要求一般，工作频率较低时，可取07085。当活塞杆输出拉力克服载荷做功时DFPD224（32）式中F2活塞杆的拉力N；D根据拉力预先估定的活塞杆直径。估定活塞杆直径D/D01605。把D/D01605代入上式得P4115101DF2（33）将式31与式33相比，D取大值，2气缸耗气量气缸耗气量与气缸直径D、行程S、缸的动作时间和换向阀到气缸管道的容积有关。忽略气缸管道容积时，则气缸的单位时间压缩空气消耗量按下

40、式计算TDDQTDQQQSSQQ22221212144，或（34）式中Q每秒钟压缩空气消耗量SM/3）Q1、Q2气缸无、有活塞杆端进气时压缩空气消耗量（SM/3）D、D缸的内径和活塞杆直径MTT21、气缸活塞杆伸出与缩回时所需时间SS气缸的行程M。3小臂升降气缸计算根据换刀机械手立柱升降气缸运动过程的要求，气缸收缩时承受的外力F15N，行程为30MM，伸出或缩回的时间为03S。其主要尺寸的确定如下A、缸径D的计算MMPFA616M016604151DB、耗气量计算缸径D20MM，行程S30MM，时间T03S，依据公式34，得第三章机械手的机械系统设计19STSQMD/143435210C、验算

41、输出力设，当P05MPA时，该气缸的推力为102N，而拉力为80N，均远远大于实际需要的15N缓冲该气缸终端位置的冲击能量为MNMEV007505150501022设，当P05MPA时，终端位置的最大冲击能量为01NM00075NM，所以安全。2、根据气缸的运动要求，设气缸收缩时承受的外力F15N惯性负载较大，行程为70MM，伸出或缩回的时间为03S。其主要尺寸的确定如下（1缸径D的计算取D/D05，依据公式33，取P05MPA，03计算，即MMPFA613M013604151D2耗气量计算水平缸缸径D32MM，行程S70MM。时间T03S，依据公式34，得STSQMD/24342103、立柱

42、升降模块立柱是安装在与基座连接的转台之上，用以支撑手臂并带动它升降和移动的机构。对立柱的设计要求是坚固，刚性好。根据换刀机械手立柱升降气缸的运动要求，气缸收缩时承受的外力F60N，行程为100MM，伸出或缩回的时间为04S。其主要尺寸的确定如下1缸径D的计算取D/D05，依据公式33取P05MPA,03计算，即MMPFA26M02604151D2耗气量计算缸径D16MM，行程S100MM，T04S，依据公式34，得STSQMD/1434342104、手臂的回转模块摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件，用于物体的转位、夹紧、阀门的开闭以及机械手的手臂动作等

43、。淮安信息职业技术学院毕业设计论文20摆动气缸有齿轮齿条式和叶片式两大类。本机械手臂采用齿轮齿条式摆动气缸。表31摆动气缸的比较品种体积质量改变摆动角的方法设置缓冲装置输出力矩泄露摆动角度范围最低使用压力摆动速度用于中途停止状态齿轮齿条式较大较大改变内部或外部挡块位置容易较大很小可较宽较小可以低速可适当时间使用叶片式较小较小调节止动块的位置内部设置困难较小微漏较窄较大不宜低速不宜长时间使用323基座结构设计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，是支撑机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。基座结构从形式上可分为落地式和

44、悬挂式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时基座应给予以固定。根据总体设计中换刀机械手的设计要求，本机械手的基座采用落地固定式。换刀机械手立柱模块需要一个旋转模块，摆动气缸则应固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，容易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线对摆动气缸转动轴产生倾覆力矩。所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。该连接组件主要由四个部分组成双向推力球轴承、底座、转台和扣罩，如图36所示，采用双向推力球轴承可以方便地将轴承内环

45、与转台连接，外环用扣罩固定在底座上。另外，推力轴承要选择公称尺寸相对较大一些的，这样可以更好地承受倾覆力矩。第三章机械手的机械系统设计211底座2摆动气缸3双向推力球轴承4扣罩5转台图36基座结构图淮安信息职业技术学院毕业设计论文22第四章总结与展望41总结本文对自动换刀机械手的结构、类型、坐标形式、自由度、驱动方案以及伺服系统的一些普遍性问题进行了深入的研究，并对机械手的执行机构进行了设计。现对已解决的问题总结如下L、根据系统的设计要求，即换刀机械手的工作环境以及工作过程，并依此确定了机械手坐标形式和自由度以及各关节运动参数。介绍了模块化设计原理以及气动机械手的模块划分。对自动换刀机械手进行

46、了总体方案设计。2、对机械手电气气压伺服系统进行设计。执行机构仍使用标准气缸，与传统气压驱动不同的是，运用电气伺服阀实现闭环的伺服系统控制，由齿轮齿条机构检测到机械手的位移，通过电位器转换成电信号，反馈到电气伺服阀，控制压缩空气的流量，从而控制气缸的位移量。总之，本次毕业设计不仅从机械手的总体设计方面，对机械手的划分类型、构成、系统功能设计以及自由度等方面做出了详细以及明确地设计。同时，在此之前，还做了大量的方案，这对设计过程提供了很大的助力。通过本次设计，我对机械手的内部构造以及运动过程的了解有了进一步的提高。当然，在对机械手设计的过程中，也用到了很多技术，典型的技术就是伺服技术，这之中不仅

47、包括气动伺服，还有电气伺服，这是推动机械手运作的装置，就好像心脏一般，有着不可或缺的作用与此同时，正如上文机械手的发展背景所讲，随着时代的发展，机械手的应用越来越普遍，它已成为各个产业中不可或缺的一部分，它能代替人们完成很多需要复杂加工的工序，同时，还能使加工出来的部件更加完美。当然，有时需要加工的工种比较繁重，这时，机械手的应用就能最大化的减轻工人的负担，最终达到利益的最大化。所以说机械手使以后的工作更加有效率，是未来机械工业发展的趋势。42展望本课题在完成机械手结构设计的基础上，进一步设计了机械手的驱动系统和控制系统。由于时间的限制，一些问题未来得及研究，具体有1、机械手的力控制问题当机械

48、手在空间跟踪轨迹运动时，可采用位置控制，但当末端执行器与机械手工作环境发生碰撞时，纯粹的位置控制已经不适用了。如今，一些机械手已经能够实现简单的力控制，如磨削和去毛刺。显然工业机械手的下一个大量应用领域将会是在装配线作业中执行一个或多个零件的装配任务。在这种零件装配任务中，接触力的监控非常重要。使用机械手完成装配任务要求零件之间的位置精度非常高。目前工业机械手一般不能胜任如此精确的任务。高精度机械手只能以尺第四章总结与展望23寸、重量和成本为代价来实现。然而，测量和控制手部产生的接触力为提高机械手的精度提供了一种有效的方法。由于使用相对测量方法，机械手和被操作对象的绝对位置误差不像它们在纯位置

49、控制系统中那样重要了。当中等刚度的零件相互作用时，相对位置的微小变化会产生很大的接触力，因此，了解并控制这些力可以极大地提高有效位置精度。2、机械手运动轨迹的生成为了进一步提高机械手的通用性，就要解决如何通过人机交互指定机械手通过空间的一条轨迹或路径。为了使用户便于对机械手的运动进行描述，不应当要求用户必须写出复杂的时间和空间的函数才能指定机械手任务。相反，应该允许用户通过简单的描述来指定机械手的期望运动，然后由系统来完成详细的计算。用户可能只需要给定末端执行器期望的目标位姿，而由系统来确定到达目标的准确路径、时间历程和速度曲线等等。此外，如果能简单地把机械手运动的期望目标点告诉机械手系统，让系统自行决定所需中间点的位置和数量，以使机械手到达目标而不碰到任何障碍，这将是非常方便的。3、气压伺服技术的控制理论研究在气压伺服系统方面，因工作介质可压缩性大所造成的输出刚度低、固有频率低和响应慢等缺点，应提高供气压力，即向中、高压供气发展；或在气压动力回路中实施某种补偿方法等，以提高控制精度。在气压伺服系统的控制方法上，需广泛的引入现代控制理论和智能控制等方法。对气动伺服系统分析不应只局限于位置控制的研究分析，对速度的控制及力的控制有待作进