PLC控制气动机械手的毕业设计.doc

PLC控制气动机械手的毕业设计

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摘 要
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛.在我国，近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
而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：介质来源极为方便,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。
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。
本课题拟开发物料搬运用气动机械手，机械手可以实现在X、Z 两个坐标方向上的移动、绕Z轴的回转,手部可以加紧的执行机构。控制方面，采用X—D图法设计了控制该机械手动作的气动控制系统.这是一个开放的气动控制系统平台.
该气动机械手的设计主要分为三个部分：总体方案设计，结构设计计算及元件选型和机械手气动控制系统的设计。
由于时间仓促和个人水平限制,我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。

ABSTRACT

In modern industry, the production process mechanization and automation has become a prominent theme. With the further development of industrial modernization, automation has become an important pillar of the modern enterprise, no shop, no production lines, etc。， have been everywhere。 Meanwhile, modern production， there are a variety of production environments， such as high temperature, radiation， toxic gases, harmful gases and underwater operations， and other occasions， the harsh production environment is not conducive to manual operation。
Modern industrial robots are appearing in the field of automatic control of a new technology， modern control theory and practice of industrial automation product of the combination， and to become a modern machinery manufacturing production systems is an important component. Industrial manipulator is to improve the production process automation， improve working conditions， improve product quality and production efficiency of the effective means。 Especially in the high-temperature, high pressure， dust， noise and pollution with radioactive and occasions, more widely applied。 In China, recent years have本文为互联网收集,请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
The robot is a compressed air pressure drive the pressure to drive the robot actuator movement。 Its main features are： the media is very convenient source， the output force is small， pneumatic and prompt action， simple structure and low cost。 However, because air has compressible characteristics, operating speed is unstable， the impact of large and low pressure gas source， focus generally 30 kg weight, weight Tiaojian arrested under the same hydraulic manipulator than the structure of large, So for high—speed, light load， high temperature and dusty work environment.
Pneumatic technology has the following advantages:
（1) media extraction and processing convenience。 Low pressure pneumatic transmission work， the working medium extracted easily， and then discharged into the atmosphere， convenient， generally do not set the recovery pipes and containers: the media clean, easy to plug existing media pipeline deterioration and supplemented.
(2） small resistance loss and leakage in the delivery of compressed air process, the resistance loss is small (generally not water plug BU only one thousandth of oil), air supply and easy to focus on long—distance transport. Hydraulic fluid leaks will not be as foreign as pressure decreased significantly and serious pollution.
（3) action quickly responsive。 Pneumatic systems usually require only 0。02s—0。3s to establish the desired pressure and speed. Pneumatic system can also achieve overload protection, easy to automatic control。
(4) energy can be stored. Compressed air can be stored in the tank, and therefore， the occurrence of sudden power failure occurs， Machine and its process will not be suddenly interrupted。
（5） working environment and good adaptability。 Flammable， explosive, and more dust， magnetic, strong radiation, vibration and other harsh environments, pneumatic drive and control system than the mechanical， electrical and hydraulic system is superior, and temperature changes will not affect the transmission and control performance.
（6） low cost. Since the work of low pressure pneumatic system， thereby reducing aerodynamic element， accessories precision materials and processing, manufacturing is easy， low cost。
The topic to be developed pneumatic material handling robot， the robot can be achieved in the X, Z direction of two coordinates the movement of rotation around the Z axis, the hand can step up the enforcement agency。 Control, the use of XD diagram method designed to control the movement of the pneumatic manipulator control system. This is an open pneumatic control system platform。
The design of the pneumatic manipulator is divided into three parts: the overall design, structural design calculations and component selection and robotic pneumatic control system design.
     Owing to time constraints and limited personal level, I have not had time to design， there are many problems， I hope the majority of teachers and students can be criticized and corrected and to be addressed。个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途
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目 录
摘要…………………………………………………………………………… 1
ABSTRACT………………………………………………………………………
一 .绪论………………………………………………………………………
1. 课题来源、目的及意义………………………………………………
2。 国内外研究现状………………………………………………………
3. 研究内容、拟解决的问题及设计要求………………………………
二 。总体方案设计……………………………………………………………
1。 功能分解及结构示意图………………………………………………
2。 气动执行元件简介……………………………………………………
3。 气缸类型的选择及总体方案的确定…………………………………
三 .设计计算及元件设计选型………………………………………………
1. 手部夹紧气缸的设计.。.。……………………………………………
2. 水平气缸的计算及选型………………………………………………
3. 垂直气缸的计算及选型………………………………………………
4. 齿轮齿条缸的设计计算………………………………………………
5. 轴的结构设计、强度校核及轴承的寿命校核………………………
四 .机械手气动控制系统的设计……………………………………………
1。 气动机械手的动作过程 ……………………………………………
2. 机械手的控制要求 …………………………………………………
3。.气压驱动系统设计
4. PLC的选择和I/O口的分配
5.PLC控制程序设计
五 工作总结………………………………………………………………………
六 致谢………………………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………
一 . 绪论

1. 课题来源、目的及意义
由于现在在外面实习,也去了几家的工厂,很多工厂工作环境差,条件有限对于这种恶劣环境下工人们需要人工控制或者利用其他一些方法作为工具来搬运重物，而且都是一些机械的工作,我们完全可以利用机械手等机械来代替工人，从而高效率可靠的完成任务而且减轻工人的劳动强度。
鉴于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[6]。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点，因此很适合在工业领域特别是那些环境比较差温度高,多震动、噪声大，灰尘多以及辐射等不适于人类长期工作的环境中工作。这样一来不仅提高了生产力，而且为生产力大大减轻了劳动强度和难度,为生产提供了基本保障。 本课题是设计一个气动机械手装置，用以搬运体积大，重量大，温度高，有辐射等工业生产原材料或成品。 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下:
（1)可以高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率,降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
(2)可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的.而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故.
（3)可以减少人力,便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3.3机械手的发展概况与发展趋势

2. 国内外研究现状
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制.智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃,设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大.
早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。
50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特（Unimate）机械手即属于这种类型。
60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80—90年代,装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。
总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell）中重要一环
随着工业的机械化和自动化的发展和气动技术本身的一些优点,气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业.
80年代以来,气动技术的运用领域快速扩展，特别是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活，性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
从各国的行业统计资料来看,近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1,而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6：4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚,但发展较快.从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率.随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
目前在世界上日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手方面最为领先。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚,但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。

3研究内容，拟解决的问题及设计要求
(1)本课题的研究内容
①确定机械手的总体方案
根据现场环境布局以及气动机械手的特点，确定设计的的总体方案，分析 并解决存在的技术难题。最后根据考虑的技术方案确定机械手的总体结构、功能和预期完成的动作。
②设计机械手各执行机构
可采用模块化的设计方式,将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计， 然后把这些模块拼装起来组成机械手.根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸，设计机械手基座、各气缸之间连接关节等装置。
③气动控制系统设计
包括气动回路的设计，绘出动作程序图，X—D线图,逻辑原理图,气动回路原理图。

（2）拟解决的问题
解决机械手的机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济并具
具体有:气缸的计算及选型，气动控制，PLC程序的设计与编写。
（3)设计要求
①工件的几何形状及尺寸如图1。3：

图1.3工件的几何形状和尺寸

②工件的材质是钢。
③水平气缸以0.4m/s的速度做进给，行程为200mm,缓冲长度为20mm。
④垂直气缸以0.5mm/s的速度作上升、下降动作，行程为300mm，缓冲长度为20mm。
⑤抓手夹紧、松开工件的时间都是0.5s。
⑥抓手与工件之间的摩擦系数为u=0.65。

二． 总体方案设计

1。功能分解及结构示意图
在总体方案里，气动机械手将模拟人手的部分动作，按预先给定的程序、轨迹和工艺要求实现自动抓取、搬运，完成工件的上料或卸料。这些动作归结起来可分解成以下几个基本动作:
（1）水平方向手臂的伸缩移动
（2）垂直方向高度的上升、下降移动
（3）绕某一个轴线（如Z轴)的回转运动
（4）手腕的旋转
（5)手指的夹紧,放松
能实现以上四个基本动作的气动机械手结构示意图如图2。1:

图2。1 气动机械手框架图

系统共有四个气缸，从下到上，从左到右依次是：旋转气缸,该气缸是立柱的回转缸，他实际上是个组合气缸，是由两个气缸的组合中间以齿轮条杠连接两缸的活塞，然后再主立轴的下端套上一个直齿圆柱齿轮，与气缸齿轮条杠啮合，把活塞的直线运动改变成立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转.左上的伸缩气缸是机械手手臂的伸缩缸，用以实现手臂的伸长与缩回。右上的升降气缸是机械手升降缸，用以实现机械手的上升与下降。夹紧气缸，机械手抓的夹紧与放松，用以实现机械手的手爪取放物件.

2.气动执行元件简介
气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的装置。它包括气缸和气马达。
(1)气缸
气缸的分类及典型结构
气缸是将压缩空气的压缩能转换成直线运动并做功的执行元件。气缸按结构形式分为两大类:活塞式和膜片式.其中活塞式又分为单活塞式和双活塞式,单活塞式有有活塞杆和无活塞杆两种。下面简单介绍几种典型气缸的结构与特点.
①普通气缸
图5为普通型单活塞杆双作用气缸的结构图.气缸由缸筒,前后缸盖,活塞,活塞杆，密封件和紧固件等零件组成.缸筒在前后缸盖之间由四根拉杆和螺母将其连接锁紧（图中未画出）。活塞与活塞杆相连，活塞上装有密封圈、导向环及磁性环。为防止漏气和外部粉尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用防尘组合密封圈。磁性环用来产生磁场，使活塞接近磁性开关时发生信号，即在普通气缸上安装磁性开关就成为可以检测气缸活塞位置的开关气缸.

图2.2 普通型单活塞杆双作用气缸
②无活塞杆气缸
无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆,它利用活塞直接或间接实现直线运动，无杆气缸由缸筒，防尘和抗压密封件，无杆活塞，左右端盖,传动舌片，导架等组成。拉制而成铝气缸筒沿轴向方向开槽,为防止内部压缩空气泄露和外部杂物侵入,槽被内部抗压密封件和外部防尘密封件密封。内、外密封件都是塑料挤压成形件，且互相夹持固定。无杆活塞的两端带有唇形密封圈。活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动.该运动通过缸筒槽的传动舌片被传递到承受负载的导架上。此时，传动舌片将防尘密封件与抗压密封件挤开,但它们在缸筒的两端仍然是互相夹持的。因此，传动舌片与导架组件在气缸上移动时无压缩空气泄露。
无杆气缸缸径范围为25-63mm,行程可达10mm。这种气缸最大的有点是节省了安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。在自动化系统、气动机器人中或得大量应用。
③膜片式气缸
膜片式气缸由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。它可以是单作用式，也可以是双作用式。其膜片有盘形膜片和平膜片两种，多数采用夹织物橡胶材料。
膜片式气缸与活塞式气缸相比,具有结构紧凑、简单、制造容易、成本低、维修方便、寿命长、泄露少、效率高等优点，但膜片的变形量有限，其行程较短.这种气缸适用于气动夹具、自动调节阀及短行程的工作场合.
④冲击气缸
冲击气缸是把压缩空气的压力能转化为活塞组件的动能，利用此动能去做功的执行元件.冲击气缸有缸筒、中盖、活塞和活塞杆等主要零件组成.中盖与缸筒固定,它和活塞把气缸分割成三部分，即蓄能腔、活塞腔和活塞杆腔。中盖的中心开有喷嘴口。
冲击气缸整个工作行程可简单地分成三个阶段：复位段,储能段，冲击段。
冲击气缸的用途广泛，可用于锻造、冲压、铆接、下料、压配、破碎等多种作业.
⑤摆动气缸
摆动气缸是由一个双作用叶片式马达和一个普通双作用气缸组成。活塞的一侧是圆形活塞杆，另一侧是方形活塞杆.方形活塞杆能在摆动马达的叶片轴槽里滑动，即叶片的摆动通过方形活塞杆来传动。采用这种双活塞杆结构的摆动气缸,结构简单，能同时分别实现直线和摆动运动。
气缸的活塞上装有一个永久磁环，用行程开关可对气缸直线行程位置进行检测.摆动角度有电感式传感器检测。摆动角度在0°—270°之间无级可调，气缸行程范围为1-100mm。
因摆动气缸的可调挡块装置和叶片之间是分开的,所以作用在挡块上的冲击力可由固定挡块或自调式缓冲器吸收。另外,叶片在行程终端也由弹性缓冲垫缓冲。为了便于调节，角度标尺安装在背面。
摆动气缸的活塞杆有中空双活塞杆型的，可用于真空、喷射等。活塞杆端部有连接其它元件的内螺纹和半圆键.摆动气缸常用作气动机械手的手臂，在其上连接气动手指。

(2）气马达
气马达的分类及特点
气马达是利用压缩空气的能量实现旋转运动的机械。按结构形式可分为：叶片式、活塞式、齿轮式等。最为常用的是叶片式气马达和活塞式其马达。叶片式气马达制造简单,结构紧凑，但低速启动转矩小,低速性能不好，适宜性能要求低或中功率的机械。目前在矿山机械及风动工具中应用普遍。活塞式气马达在低速情况下有较大的输出功率，它的低速性能好，适宜载荷较大和要求低速转矩大的机械，如起重机、绞车绞盘、拉管机等。
由于使用压缩空气作为工作介质，气马达有以下特点：
①有过载保护作用。过载时,转矩降低或停车，过载消除后立即恢复正常工作，不会产生故障
②可以无级调速。控制进气流量，就能调整马达的功率和转速。额定转速从每分钟几十转到几万转.
③具有较高的启动转矩，可直接带负载启动。
④与同类电动机相比，重量只有电动机的三分之一到十分之一，因此，其惯量小，启动停止快。
⑤适宜于恶劣环境使用,具有防火、防爆,耐潮湿、粉尘及振动的优点。
⑥结构简单，维修容易
⑦输出功率相对较小，最大只有20KW左右。
⑧耗气量大，效率低，噪声大.

（3）气动机械手手指及真空吸盘
气动机械手抓取动作最终是由手指来完成的。手指主要有手指气缸和真空吸盘两种结构,在抓取异型、特殊工件时也有用膜片夹紧气缸、气囊来抓取工件的。
①手指气缸
手指气缸俗称抓手,是目前气动机械手在抓取技术中应用最普遍的方式之一。它有平行手指HGP，摆动手指HGW，旋转手指HGR及三点手指HGD.
它的优点有:
A。可实现双向抓取
B.可自动对中
C.抓手两边可安装无接触式检测的行程开关
D。重复精度高
E.抓取力恒定
F。夹具形式多变,与抓手连接十分简便
抓取方式有：
A。外抓取
B.内抓取
C。内外联合抓取
主要技术参数:
A.平行手指，最大抓取力:390N；合拢/打开时间：0。06-1。0s
B.摆动手指，最大抓取力：530N;合拢/打开时间:0.02-1.0s
C.旋转手指，最大抓取力:250N；合拢/打开时间:0.04—1.0s
D.三点手指,最大抓取力：320N；合拢/打开时间：0.01—1.0s
②真空吸盘
目前，在传输和装配生产线上，使用真空吸盘来抓取物体的例子越来越多，应用真空技术可很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能。需要说明的是，这里提到的真空不是指由电动机、真空泵等一系列辅助设备所组成的真空系统，而是指有压缩空气进入真空发生器的喷嘴后,按照文丘里原理在真空发生器内产生的负压（最高可达-88KPa）.因此，它是一种十分经济简便的真空系统,尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。
真空吸盘可以吸持平整光滑的工件表面，它的最小直径为1mm，最大直径为125mm（可以制作大于125mm的吸盘）。吸盘形状一般分圆盘形和波纹形。圆盘真空吸盘一般用于吸取平整的工件,而波纹形真空吸盘吸取的工件表面允许有轻微不平、弯曲或倾斜。真空吸盘最小吸力为1.6N，最大吸力可达606N.真空吸盘由丁晴橡胶、聚氨酯或硅橡胶等材料组成，其中硅橡胶真空吸盘可用于食品工业.它们工作温度范围分别为-20°到+80°，—20°到+60°，—40°到+200°。
气动机械手在抓取物体时,究竟是选抓手，还是选真空吸盘，是没有严格规定的，一般根据具体工况而定.对于平板的抓取，通常较多使用真空吸盘，而对于长方形、圆形物体，既可采用抓手又可采用真空吸盘来完成。
抓手在抓取工件时，还应考虑到抓手张开的角度不能影响相邻工件.
3。气缸类型的选择及总体方案的确定
A. 水平方向的伸缩移动,B。垂直方向的上升、下降移动
都可选择普通型单活塞杆双作用气缸或无杆气缸，但是考虑到无杆气缸能够节省安装空间，又适合于小缸径长行程的场合，定位精度高，于是在本方案里选用无杆气缸.
C。绕某一个轴线(如Z轴)的回转运动
可选择齿轮齿条缸或摆动气缸，但摆动气缸一般是用作气动机械手的手臂,在其上连接气动手指，而本方案的回转运动是立柱的回转运动，考虑到齿轮齿条缸定位精度较高，结构简单，于是选用齿轮齿条缸。
D. 手指的夹紧,放松
可选择平行手指气缸，摆动手指气缸,旋转手指气缸，三点手指气缸和真空吸盘。手指的选择，是没有严格规定的，一般是根据具体工况条件而定。对于平板的抓取,通常较多使用真空吸盘，而对于方形、圆形的物体，通常使用手指气缸来完成。考虑到工件的形状是圆柱体，宜采用手指气缸,手指气缸里平行手指气缸结构简单，功能明确，两个手指夹持圆柱形工件的两个端面,接触面积大，抓取稳定，于是采用两手指的阔形气动手指气缸。

综合以上分析，执行元件的初步选择如下表1：

表1 执行元件的初步选择
方案所要实现的功能
初选执行元件类型
水平方向的伸缩移动
无杆气缸
垂直方向的上升、下降移动
无杆气缸
绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动
齿轮齿条缸
手指的夹紧，放松
平行手指气缸

由以上初选的执行元件类型，组成总体的方案图如图2.3：

图2。3 总体方案图粗略图

三 . 设计计算及元件设计选型

1.手部夹紧气缸的设计
1、手部驱动力计算
本课题气动机械手的手部结构如图3。1所示：

其工件重量G=10公斤，
手指的活动角度，,摩擦系数为
(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：

（2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：

所以
图3.1 机械手爪图

（3）实际驱动力:

、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取,并取.若被抓取工件的最大加速度取时，则:
所以
所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。
‚、气缸的直径
本气缸属于单向作用气缸.根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

式中: - 活塞杆上的推力，N
- 弹簧反作用力，N
— 气缸工作时的总阻力，N
— 气缸工作压力,Pa
弹簧反作用按下式计算：

Gf =
式中：— 弹簧刚度，N/m
- 弹簧预压缩量，m
- 活塞行程，m
- 弹簧钢丝直径,m
- 弹簧平均直径，.
— 弹簧有效圈数.
- 弹簧材料剪切模量,一般取
在设计中,必须考虑负载率的影响，则:

由以上分析得单向作用气缸的直径：

代入有关数据，可得

所以：