毕业论文--多工位冲床专用机械手及送料机构设计.doc

多工位冲床专用机械手及送料机构设计

摘 要
随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度迅速提高，工业机械手在近几十年里飞速发展。工业机械手是工业机器人的分支，其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能和机器的适应性。
本文首先介绍了工业机械手的概念以及国内外的发展状况，然后描述了机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，并进行了手部结构的设计与校核，最后阐述了机械手的气动技术与继电器控制。
该机械手是用于多工位冲床上加工零件，用机械手向冲床自动上、下料，并实现半成品零件在七个工位之间的转换。机械手主要由气缸驱动，使手臂进行伸缩、横移和升降运动，并分别用液压缓冲器实现缓冲。本文在对机械手进行总体方案设计时，确定了机械手的坐标形式和自由度及其技术参数，同时设计了机械手的夹持式手部结构，机械手的手腕和手臂结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。
该机械手采用PLC系统进行控制，在设计中绘制出了气压系统工作原理图和PLC控制器的控制程序。此种方式的机械手可以使不同工位进行同时加工，从而提高了劳动效率，而且也提高了生产精度，还降低了人员需求数量，从而减轻了劳动强度，并保证了劳动安全。

关键词：机械手；多工位；气动；电气控制

- I -
多工位冲床专用机械手及送料机构设计
Design of special Manipulator and Feeding mechanism for multi station punch

Abstract
With the rapid development of China's industrial production, the degree of automation is increasing rapidly, the industrial robot, the rapid development in recent decades. Industrial robot is a branch of the industrial robot can be programmed to complete a variety of expected operating tasks, both man and machine on the structure and performance of their respective advantages, especially human intelligence and adaptability.
First ,this article of all introduce the industrial mechanical hand of the concept as well as domestic and international development status, then describe the manipulator constitute and classification of manipulator degrees of freedom and coordinates the form of a hand structure design and checking, the last described the robot's pneumatic technology and relay control.
The robot is used for punching processing parts, automatic robot to punch materials, and to achieve semi-finished parts in the conversion between seven working. The robot is driven by the cylinder, arm stretching, shifting, and lifting movement and hydraulic shock absorber buffer. The overall program design of the robot to determine the robot’s coordinate forms and degrees of freedom and its technical parameters, at the same time design a manipulator clamp hand structure manipulator wrist and arm structure, computing out of the turn of the wrist, the required driving torque and rotary cylinder drive torque.
The electrical controller of the robot adopts PLC control, drawing in the design of a pneumatic system schematic and PLC controller control program. This way the robot can make the different stations at the same time processing, there by improving the efficiency of labor, but also improve the accuracy of production, and also reduces the number of personnel requirements, there by reducing the labor intensity, and to ensure labor safety.

Key Words：Manipulator；Multi-station；Pneumatic；Electrical Control

- 40 -
目 录
摘 要 I
Abstract II
一、绪论 1
（一）工业机械手 1
1．工业机械手概述 1
2．工业机械手的应用与意义 1
（二）机械手的组成和分类 2
1．机械手的组成 2
2．机械手的分类 3
（三）工业机械手的发展 5
1．工业机械手的发展历史 5
2．工业机械手的发展方向 5
二、机械手总体设计方案 8
（一）机械手的坐标形式与自由度 8
1．直角坐标机械手结构 8
2．圆柱坐标机械手结构 8
3．球坐标机械手结构 8
4．关节型机械手结构 9
（二）机械手手部结构总体方案设计 9
1．机械手的手爪结构方案设计 9
2．机械手的手腕结构方案设计 10
3．机械手的手臂结构方案设计 11
4．机械手驱动方案的选择 12
5．机械手气压驱动系统总体设计 14
6．机械手导向装置的选择 15
7．机械手平衡装置的选择 16
8．机械手的缓冲方案设计 16
9．机械手的主要参数 18
三、手部结构设计 20
（一）手指结构的设计 20
1．手指的形状和分类 20
2．设计时需注意的问题 20
（二）手部夹紧气缸的设计 21
1．手部驱动力计算 21
2．气缸直径的计算 22
3．缸筒壁厚的设计 23
四、手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核 25
（一）手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 25
1．手臂伸缩气缸的尺寸设计 25
2．手臂伸缩气缸的尺寸校核 25
（二）手臂升降气缸的尺寸设计与校核 26
1．手臂升降气缸的尺寸设计 26
2．手臂升降气缸的尺寸校核 26
（三）横移气缸的尺寸设计与校核 27
1．横移气缸的尺寸设计 27
2．横移气缸的尺寸校核 27
五、机械手的定位与平稳性 29
（一）常用的定位方式 29
（二）影响平稳性和定位精度的因素 29
1．定位方式 29
2．定位速度 29
3．精度 29
4．刚度 29
5．运动件的重量 29
6．驱动源 29
7．控制系统 30
（三）机械手运动的缓冲装置 30
1．选择最大加速度 30
2．计算沿运动方向作用在活塞上的外力 30
3．计算残余速度 30
六、机械手的电气控制系统设计 31
（一）机械手的气压传动系统 31
（二）机械手的电气控制系统 32
1．环形时序步进器 33
2．二极管矩阵 34
结 论 37
参考文献 38
致 谢 39

多工位冲床专用机械手及送料机构设计
一、绪论
（一）工业机械手
1．工业机械手概述
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的，模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，而工业机器人的高速研制更是促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现机械化与自动化的有机结合。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”，它可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，也可以减轻劳动强度、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[1]。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力量大的特点。因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
2．工业机械手的应用与意义
机械工业中，机械手在铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例，尤其是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍，在其他部门如轻工业、建筑业、国防工业等也均有所应用。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手相结合，构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，使加工系统或制造单元结构紧凑，适应性更强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新换代，适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。
综上所述，在机械工业中应用机械手的意义可以概括如下：
(1)提高生产过程中的自动化程度。
机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等，使生产线的自动化程度提高，从而降低生产成本，提高劳动生产率。
(2)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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而机械手可部分或全部代替人工，安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
(3)减轻人力，便于有节奏的生产。
机械手代替人进行工作，可直接减少人力，同时由于机械手可以连续的工作，这也是减少人力的一种体现。因此，在自动化机床的综合加工线上，更适合机械手的加入，而且机械手可以更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。
目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平，从经济与技术方面考虑都十分必要。所以，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
（二）机械手的组成和分类
1．机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置组成。各系统相互之间的关系如图1.1所示。

图1.1 机械手的组成方框图

(1)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。
手部，即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式，在本次设计中我采用了夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构构成。手指是与物件直接接触的部件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸，手指有外夹式和内撑式，常用的指形有平面、V形面和曲面，指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务，其型式较多，有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。
手臂是支撑被抓物件、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。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。
立柱是支撑手臂的部件，它也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
当工业机械手需要完成较远距离的操作或扩大使用范围时，可在机座上安装行走机构以实现工业机械手的整机运动。行走机构大体可分为滚轮式与轨道式两种，而滚轮式亦分有轨和无轨两种。驱动滚轮运动应另外增设机械传动装置。
机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机座上，故起支撑和连接的作用。
(2)驱动系统
驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，由调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电动机驱动和机械驱动。
(3)控制系统
控制系统是支配机械手按规定要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间等)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
(4)位置检测装置
位置检测装置的作用为控制机械手执行机构的运动位置，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
2．机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
(1)按用途分，机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。
专用机械手是附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。它具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床的上、下料机械手。
通用机械手是一种具有独立控制与驱动系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手，在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用。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的自动化生产。通用机械手按其控制定位方式的不同可分为简易型和伺服型两种，简易型以“开—关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
(2)按驱动方式分，机械手可分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手。
液压传动机械手是以液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是抓重可达几百公斤以上，传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，缺点是对密封装置要求严格，否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，则可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
气压传动机械手是以压缩空气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，缺点是由于空气具有可压缩的特性，所以机械手工作速率的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30kg以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适合在高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。
机械传动机械手是由机械传动机构(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，缺点是结构较大，动作程序不可变。
电力传动机械手是由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手。因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快、行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但很有发展前途。
(3)按控制方式分，机械手可分为点位控制机械手和连续控制机械手两种。
点位控制机械手的移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，则必然使电气控制系统变的越加复杂。目前大多数的专用和通用工业机械手均属于此类。
连续轨迹控制机械手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，整个移动过程均处于控制之下，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。
（三）工业机械手的发展
1．工业机械手的发展历史
机械手是在早期就有的古机关人基础上发展起来的，我国古代的机关人制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的。
现代机械手的研究始于20世纪中期。随着计算机技术的发展，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，也为机械手的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这样的背景下，1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手，它的结构是在机体上安装一个回转长臂，并在长臂顶部装配了工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手，商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，手臂可以回转、俯仰、伸缩、使用液压驱动，控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran的机械手，该机械手的中央立柱可以回转、升降，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unima公司与斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，通过小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1mm。联邦德国KnKa公司也研制出一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
近六十年发展起来的机械手，大致经历了三个时代。第一代为简单个体机械手，属于示教再现型 , 第二代为群体劳动机械手，其具备了感觉能力 ,第三代为类似人类的智能机械手，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力。
2．工业机械手的发展方向
目前，国内的机械手发展迅速，归结起来，大都朝着高精度、模块化、节能化和机电一体化这四个方向发展。
(1)高精度
精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。
(2)模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手与组合导向驱动装置相比，拥有更灵活的安装体系，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。
(3)节能化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，用构造特殊、自润滑材料制造的无润滑元件组成的机械手，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
(4)机电一体化
由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型控制系统仍然是自动化技术发展的重要方向，发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” 。节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性，如今电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在不断增大，由PLC直接控制线圈也变得越来越可能。
在国外，一些国家正在研究具有某种智能的机械手，它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作出相应的变更，如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测。此种机械手的研究重点是视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。
视觉功能是在机械手上安装电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作时电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传输给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工件，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件，手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小的目的。
总之，随着传感技术的发展，机械手装配作业的能力也将进一步提高，更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。
二、机械手总体设计方案
（一）机械手的坐标形式与自由度
工业机械手的结构形式如图2.1所示，主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

图2.1 机械手的四种坐标形式

1．直角坐标机械手结构
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（um级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的，因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。
直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2．圆柱坐标机械手结构
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2.1b。这种机械手构造比较简单，精度尚可，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
3．球坐标机械手结构
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2.1c。这种机械手结构简单，成本较低，但精度不是很高。主要应用于搬运作业，其工作空间是一个类球形的空间。
4．关节型机械手结构
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2.1d。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小，相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。
由于本机械手在工作时手臂具有伸缩、横移和升降运动，符合直角坐标形式，因此，采用直角座标型机械手结构。机械手的自由度以及运动示意图如图2.2所示。

图2.2 机械手的运动示意图

（二）机械手手部结构总体方案设计
1．机械手的手爪结构方案设计
目前，国内外机械手的手部结构通常有5种，分别为楔块杠杆式手爪、滑槽式手爪、连杆杠杆式手爪、齿轮齿条式手爪和平行杠杆式手爪。
(1)楔块杠杆式手爪
利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，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，适合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，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
这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。
(5)平行杠杆式手爪
这种手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。
本机械手采用的是连杆杠杆式手爪。
2．机械手的手腕结构方案设计
机械手的手腕结构在设计时应遵循以下原则：
(1)机械手手腕的自由度，应根据作业需要来设计。
机械手手腕自由度数目越多，各关节的运动角度越大，则机械手腕部的灵活性越高，机械手对作业的适应能力也越强。但是，自由度的增加，也必然会导致其腕部结构更加复杂，使机械手的控制变得更困难，成本也会增加，因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少，一般机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭手臂和腰部的运动就能完成作业任务，所以要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局和运动方案，选择满足要求的最简单的方案。
(2)机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应尽量减少其重量和体积，结构力求紧凑。
为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。
(3)机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
(4)机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。
(5)要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。
(6)手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。
机械手的手臂运动，给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。
考虑到机械手的优化，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕不设回转运动仍可满足工作的要求。
3．机械手的手臂结构方案设计
机械手手臂的作用是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；
(1)应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。
(2)机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。
工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
(3)为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构和材料上减轻手臂的重量。
机械手在高强度轻质材料的选择上，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法仍然是进行机械手手臂结构的优化设计，在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。
(4)机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有可靠的便于调整的轴承间隙调整机构。
(5)机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。
在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂上的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。
(6)机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关，具有一定缓冲能力的机械限位块，驱动装置，传动机构及其它元件的安装。
本设计按照工件的直径为50mm来设计，结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。通过驱动活塞往复移动，活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调节。手爪的结构如图2.3所示：

图2.3 机械手手爪结构图

4．机械手驱动方案的选择
工业机械手的驱动系统，按动力源可分为液压、电动和气动三大类，根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：
(1)液压驱动系统
由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适合于在承载能力大，惯量大的环境下工作的机械手。
相比于液压驱动系统的优点，其缺点同样很多：
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，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。
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。
因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。
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。
(2)电动驱动系统
电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）而在机械手中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机械手中也被广泛的使用。
(3)气动驱动系统
气动驱动系统适用于中、小负荷的机械手，它有如下优点：
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且介质清洁，管道不易堵，不存在介质变质及补充的问题。
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，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。
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。
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。
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，气压传动及其控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动和控制性能。
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。
气动驱动系统的缺点在于实现伺服控制较困难，所以多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。另外，传统观点认为: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) [2]。此外，气源工作压力较低，抓举力较小，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。
设计机械手时，驱动系统的选择，要根据机械手的用途、作业要求、性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：
物料搬运（包括上下料）使用有限点位控制的程序控制机械手，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机械手多采用气动驱动系统。
用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机械手多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机械手一般选用液压驱动系统。
由于本次设计的机械手为多工位冲床上下料机械手，抓重为5kg，属于轻负荷，且气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，故应选择气动驱动系统。
5．机械手气压驱动系统总体设计
气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式点位控制或有限点位控制的中、小机械手作业。这类机械手多是圆柱坐标型、直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为0.5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。
(1)气源
由压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站，可以按机械手及其配套的其他气动设备的需要，配置相应供气量的气源设备。
(2)气动三联件
由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源供气，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦，增加气缸使用寿命。
(3)气动阀
气动阀的种类很多，在工业机械手的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。
(4)气动执行机构
多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类，除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。
为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机械手中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。
(5)制动器
气动机械手的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的允许运动速度达1.5m/s，如果以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，