1、随着工业自动化程度的逐渐提高，机械手的应用领域越来越广，机械手能模拟人的手臂部分动作，按照预定的程序，轨迹及其他要求，实现抓取，搬运等操作。论文首先对国内外机械手的发展概况进行了介绍,根据机械手的工作环境，作业内容及性能要求,分析了不同类型机械手的优缺点，提出了通过三自由度机械手完成吸取原料并将原料送至工艺板的总体方案。 本机械手的主要工作是在控制器的作用下将工件从一条流水线搬运到画板这一简单的动作，通过综合考虑选择了三自由度圆柱坐标型机械手，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向，结构简单，成本低，而且针对不同类型的零件增加了一个吸盘，减少了闲置率，提高了工作效率。本文对机械手的机械传动部分
2、进行了设计，简单地进行了机械手的运动分析，对驱动、传动系统进行了方案设计并进行了气压缸、丝杠、等主要部件的选取和校核。最后用AutoCAD、CAXA等绘制相关工程图。关键词三自由度 机械手 气动Embossing process material transporting manipulatorAbstract KeywordsThree degrees of freedom ;pneumatic; manipulatorMachinery and equipment industry is the Ministry of nationals to provide equipment for
3、the national economy and peoples lives to provide for the consumer durables industry . Whether traditional industries and emerging industries , are inseparable from a wide variety of machinery and equipment , industrial machinery and equipment performance, quality and cost of providing for the natio
4、nal economy and technological progress and economic sectors have great and immediate affected. Scale and technical level machinery industry is an important indicator to measure the countrys economic strength and scientific and technological level . Therefore , the world regarded as one of the strate
5、gic development of the machinery industry focus on the development of their economies . Industrial robots in recent decades developed a high-tech automated production equipment. Industrial robot is an important branch of industrial robots . It is characterized by a variety of expectations can be acc
6、omplished by programming job tasks , the merits of both humans and machines in the structure and performance, especially reflecting the people s intelligence and adaptability. The accuracy and the ability of various operating environments robot to complete the job in various fields of national econo
7、my has broad prospects for development. This article focuses on the overall composition and the specific design of pneumatic transport three degrees of freedom manipulator body , and a single joint position control of robot research . With the gradual increase in industrial automation degree , robot
8、 applications more widely, the robot can simulate human arm part of the action , in accordance with a predetermined program , track and other requirements , crawls , handling and other operations. Firstly, the development of domestic and international overview of the robot were introduced, according
9、 to the robot s work environment, job content and performance requirements , analyze the advantages and disadvantages of different types of robot , made by three degrees of freedom manipulator and raw materials to the completion of the process to draw overall program board.The main work of this robo
10、t is the role of the controller handling the workpiece from a pipeline to the drawing board this simple action, by considering the freedom of choice of the three cylindrical coordinate type robot , the direction of their work into two linear direction and a rotating direction , simple structure, low
11、 cost, and the different types of parts for the addition of a sucker , reducing idle rate , improve the work efficiency . In this paper, mechanical transmission part robot was designed to be a simple robot motion analysis , the drive , the drive system design and a pneumatic cylinder , screw, such a
12、s selecting and checking the main components. Finally, draw the relevant drawings with AutoCAD, CAXA so on.2.1.1自由度分析.22.2.1执行机构分析.22.2.2机械手特性分析.22.3.1伸缩缸的选择.22.3.2升降缸和旋转气缸的选择.21 前言1.1压花工艺 压花工艺是一种艺术表现形式，通过将植物，小动物和其他原料经过特殊的处理，粘贴在画板上，通过作者的创作，形成的一种独一无二的工艺品。1.1.1国内外发展状况工业机械手是受人体构造的启发，结合人的关节构造，是一种机电一体化的产
13、物。机械手是的发展目的是为了可以重复单一的操作，从而减轻人的工作负担，提高工作的效率，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，以及在繁重单调、频繁的重复操作中，使用机械手更具有显着的优越性。它己成为实现生产过程自动化，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，促进柔性化生产过程的实现不可缺少的自动化设备，因此，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。现在机械手已应用于各个领域。工业机械手由于其独一无二的特点所以受到机械行业的高度重视，现在的继续诶收已经成为机械行业中的一种新技术，并且在生产中
14、起到了至关重要的作用。工业机械手有着许多优点，首先他可以部分或者完全替代工厂的工作，在进行一些简单的重复的动作时，机械手的效率高于人力操作，其次，在某些 危险的操作环境，人力无法或者非常困难操作时机械手可以替代人力在各种特殊环境下进行工作。在这些特殊的优势下，机械手引起了国内外各个行业的高度重视，现在许多工厂都向着机械化的生产线发展，用来提高生产效率。国内的发展是循序渐进，工业机械手首先应用于一些工作环境比较极端的场合，例如热处理加工，冲压车间。在此基础上，通过从速度，工艺，机械机构上的改进，逐渐演变出了应用于教学和在各个行业上应用的机械手。现在国内，机械手已经引起了越来越多人，越来越多行业的
15、重视。国外的机械手发展就相对较早较快。国外的机械手在已经具有的机械手基础上，创造了具有反馈的，伺服系统机械手，机械手在工作的时候可以不断的向主机反馈操作的准确性和精度，主机在接受信号后可以做出相应的调整。这种机械手很大程度上提高了机械手的精度，使机械手更加有效率，同时工厂的生产也会有更大的效率。进而加快了工业领域的发展。图1-1法国公司研究的蒸汽机械手1.1.2气动机械手的分类 机械手一般按其使用范围、驱动方式或控制系统,可分为以下几类: 1.按使用范围可分专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手是为某一特定作业而设计和制造的机械装置,它的程序是固定不变的,只能完成某几个特定的动作。例如自动机
16、床的上下料机械手,加热炉的进出料机械手等都只能给特定的主机上下料。通用机械手是一种独立的自动化机械装置。它的结构比专用机械手复杂,动作程序可以改变,工作范围可以调整,可用于多种场合,能适应多种产品及工艺方案,通用性较强。2.按驱动方式可分为液压、气动、电动及机械式等四种机城手。液压机械手是依靠油泵供给的压力油驱动的。油压在15、150公斤/厘来艺之间。这种机械手占机械手总数的50夕，以上。气动机械手是用压缩空气驱动的。气压为46公斤/厘米,。这种机械手占40夕百左右。电动机械手是依靠普通电动机、直线电机或步进电机驱动的。此类机械手为数不多。机械式机械手都附属于某一机器,由主机通过凸轮、连杆等驱
17、动。此类机械手在锻造和冲压生产中用得较多。3.按控制系统分为固定程序、可变程序、示教再现及数字控制等四种机械手。固定程序机械手的动作程序和时间等都固定不变。如点位式专用机械手就是固定程序机械手。可变程序机械手的动作程序和时间,可根据工作需要,通过更换插销位置或插件板而改变。示教再现机械手的动作程序和时间及运动轨迹由人手示教（或编程示教）,并依靠存贮装置（例如磁鼓或磁带）将这些参数记录下来,然后,机械手按此循环动作。当需要改变程序、定位点及运动速度时,人再示教一次,即可达到目的。这种方法控制的机械手通用性强,能适应复杂多变的工作要求。但成本高昂。按数字形式输人电子计算机,以控制机械手的动作程序、
18、运动轨迹和速度等这就是数控机械手。它可以很方便地改变机械手的各种参数,通用性很强。但成本很高。1.1.3 机械手坐标系1、直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式x、y、z 3个方向的直线进行运动。其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或是3个直线运动。如在x、y、z 3个直线运动方向上各具有A 、B、C 3个回转运动，即构成6个自由度。 1、直角坐标式机械手的优点 （1）产量大、节拍短，能满足高速的要求。 （2）容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。 （3）适于装箱类、多工序复杂的工作，
19、定位容易改变。 （4）定位精度高，可达到0.5mm以下，载重发生变化时不会影响精度。 （5）易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。 2、直角坐标式机械手的缺点 这种机械手作业范围较小。 二、圆柱坐标式机械手 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用的空间较小的特点。其动作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，两个直线运动加一个旋转运动。 1、圆柱坐标式机械手的基本动作 （1）手臂水平回转。 （2）手臂伸缩。 （3）手臂上下。 （4）手臂回转动作。 （5）手爪夹紧动作。 2、圆柱坐标式机械手的物
20、特征 圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和在水平面内做圆弧状的左右摆动。 三、球坐标式机械手 球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。 1、球坐标式机械手的基本动作 （1）手臂上下运动，即俯仰运动。 （2）手臂左右运动，即回转运动。 （3）手臂前后运动，即伸缩运动。 （4）手腕上下弯曲。 （5）手腕左右摆。 （6）手腕旋转运动。 （7）手爪夹紧运动。 （8）机械手整体移动。 2、球坐标式机械手的特点 球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装
21、在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可做伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作类似。能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小，而动作范围大。以行程为203mm工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450mm。若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450mm。 2三自由度气动机械手总体方案设计 2.1 引言 本课题的研究目的是研制针对压花工艺原料运输的机械手,因此,本文根据机械手的工作环境，作业内容及性能要求,结合不同类型的机械手,提出了适用于压花工艺的机械手机械本体的总体方案。2.1.1机械手的工艺流程大臂原位 小臂前伸 大
22、臂垂直上升 吸盘吸取 小臂回缩支撑臂旋转 支撑臂下降 吸盘喷出 支撑臂旋转 机械手回到原位 图2-12.1.2自由度分析根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目，称为机构自由度1。机械手共有3个自由度：支撑臂的轴有1个自由度，作旋转运动；大臂和支撑臂各有1个自由度，分别作伸缩移动和上下移动，所有的三个自由度都是采用气缸实现。气缸控制活塞在气缸中进行直线往复运动或者活塞不动，活塞杆推动活塞，带动轴上下移动，气体通过在驱动气缸中受到压缩而产生压力。活塞杆上的作用力应该根据工作环境来确定。所以应注意气缸的尺寸，在选择
23、气缸直径的时候，应当留有一定的力。当缸径选择过小了，则机械手不能够得到足够的动力，从而导致气缸在缺少动力的情况下不能正常的工作；如果选择的缸径过大，不仅在总体结构上会造成机械结构笨重、消耗成本高，同时在工作时会需要更多的气体，造成能源浪费。三自由度气动机械手属于关节串联式机器人，它的运动类似人的手臂,由基座、支撑臂、小臂3个部分组成。腰部为旋转运动,由旋转气缸驱动，即摆动气缸来实现,旋转编码器用来检测旋转时的角度，通过1:4比例与同步带轮和腰部转动轴相连；支撑臂和手臂都进行支线往复运动，气缸通过流量比例控制阀驱动单出杆双作用气缸来实现运动,旋转编码器通过1:4的同步带轮与对应的支撑臂、小臂部分
24、运动轴相连,用以检测运动信号2。 旋转编码器：旋转编码器用于检测回转气缸在工作时，相对于原位置的角度测量，旋 转编码器常应用于气压伺服系统中，是非常常用的气压辅助元件。它具有体积小，重量轻，品种多，功能全，频响快，分辨率高，扭矩大，功耗低，性能稳定，可靠，使用寿命长的优点3。 2.1.3系统组成 本机械手由躯干，传送机构，动力源（空气压缩机）和控制装置（例如电磁控制阀）组成。其中，机体由机械手本体组成，传送机构由伸缩臂和真空吸盘组成。气动系统的动力源主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。电力驱动具有很多优
25、点，首先电源方便，响应快，其次电力驱动力较大（关节型的持重已达400kg），在保证信号检测、传动和处理方便的条件下，还可以采用多种多变的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流电机为主要的驱动电机4。气压驱动通常由气缸、气阀、气罐和空气压缩机组成，其特点是气源简单、动作敏捷、结构简易、成本较低、维护方便。但很难进行速度控制，气压不可太高，由于本机械手是针对压花运输，负载并不太大，所以选择气压动力源。三自由度气动机械手系统可以设置成手动和自动两种工作方式，其中，自动方式包括自动回原点单步单周期连续 四种方式2。控制方式装置采用PLC控制。 图2-2 2.2 总体技术方案 在圆柱坐标系机械手的方案
26、选择好之后，为了满足设计的要求，本机械手具有三个自由度，应用了三个气压缸，分别控制手臂旋转，手臂的上下移动，手腕的伸缩。根据实际情况，压花的运输带与画板工作台之间的距离为1m，现设计的机械手通过手臂的旋转将运输带上的压花运输到画板上。自由度包括两个移动副一个旋转副。2.2.1执行机构分析1、手部 常规的机械手手部安装在手臂的前端。 机械手手指的数量可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多5。由不同的工作环境限制，从而选择不同的手部构造，如本机械手针对压花原料，即采用了无指的真空吸盘。所谓无指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。由于本机械手是针对于压花工艺所以在手部采用了一个真空吸盘。吸盘
27、按照使用方法区分，分为接触式吸盘和非接触式吸盘。按形状区分常见的吸盘为圆形吸盘，圆形吸盘有单层双层，多层之分。按材料区分有丁腈胶，硅胶，聚氨酯，三元乙丙胶等。图2-3由于压花的质量较小，因此采用吸力较小的吸盘，单层扁平吸盘-PEG ，直径20mm，吸力最大3.5Kg。应用真空吸盘时应注意旋转的转速不宜过高。图2-4真空吸盘 - 特点一、便于携带。由于磨损通常由橡胶造成，与机体直接接触，从而使损耗加快。但是它是一个气动耐磨零件。这就是为什么它是非常重要的气动元件。二、使用范围广。在真空吸盘工作时，不受制于工件的材料，任何工件只要密封足够好，都可以由真空吸盘操作。三、无污染。真空吸盘在工作时完全不
28、产生任何污染。四、对工件表面无伤害。受制于材质真空吸盘的橡胶表面不会伤害工件。而挂钩式吊具和钢缆式吊具就不能够做到这一点。对于工件表面的要求特别严格的工件真空吸盘是唯一的选择。2、手臂 控制手指准确地抓住工件，并传送到指定的位置上是机械手手臂的工作目的。传动轴被安装在手臂的内孔中，可把运动传递给手腕，用以旋转、伸缩手腕、闭合手指3。在本设计中，为了完成工作设计了三个自由度，包括一个旋转和两个移动。臂部运动的宗旨：手臂大多数情况下由电机或者气动驱动，手臂在机械手中起到非常关键的作用，从受力情况来看手臂在工作的时候受到手部运动的静载荷，而且由于自身的运动较多，受力非常复杂，所以在设计的时候，他的工作范围，灵活性和精度对整体有着很大的影响6。左图为常见的六自由度机械手臂。他有X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转六个自由度组成。通过在执行末端加装相应的装置可以完成X转动，Y转动，并且到达空间内的任何坐标点。图2-53、躯干躯干部分是为了保持整个机械手的平衡2.2.2机械手的特性分析 压花工艺原料运输的三自由度气动机械手，基座与支撑臂的回转缸相连，回转缸与升降缸相连，升降缸与固定在地面的缸体相连，升降
