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基于PLC控制四自由度氣動式機械手
摘 要
隨著科技的發(fā)展，機械手在工業(yè)領域得到越來越廣泛的運用，它可以幫助人們完成危險、重復的體力勞動，大大提高生產(chǎn)效率。
本課題對機械手的手爪、手腕、手臂、腰部和機座部分進行了設計，確定機械手采用圓柱坐標式。手爪的張合，手臂和腰部的伸縮，機座和手腕的旋轉(zhuǎn)都采用氣缸驅(qū)動。此機械手可以運用于工業(yè)流水線上，完成把指定物件從一個地方運送至另一地方的任務。機械手的系統(tǒng)控制由可編程序控制器完成，按照機械手的動作流程，完成了相應的接線圖和程序編制。
關鍵詞：機械手，工業(yè)領域，氣缸，可編程序控制器
基于PLC控制四自由度氣動式機械手 II
ABSTRACT
With the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.
In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.
Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller
目 錄
1 緒論 1
1.1 機械手的概述 1
1.2 機械手的發(fā)展史 1
1.3 氣動技術及氣動機械手的發(fā)展過程 2
1.4 機械手未來的發(fā)展趨勢 3
1.5 本課題研究內(nèi)容 4
1.6 課題研究的意義 4
2 機械手的總體設計方案 6
2.1 機械手的工作原理及系統(tǒng)組成 6
2.2 機械手基本形式的選擇 7
2.3 驅(qū)動機構的選擇 8
2.4 機械手詳細設計參數(shù) 8
2.5 本章小結 8
3 機械手手部結構設計及計算 9
3.1 手部結構 9
3.2 機械手手爪設計計算 9
3.3 夾緊氣缸的設計 11
3.4 手爪夾持范圍計算 13
3.5 機械手手爪夾持精度的分析計算 14
3.6 彈簧的設計計算 15
3.7 本章小結 17
4 腕部的設計計算 18
4.1 腕部設計的基本要求 18
4.2 腕部的結構以及選擇 18
4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算 19
4.4 腕部工作壓力的計算 20
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?21
4.6 動片和輸出軸間的連接螺釘 22
4.7 本章小結 23
5 機械手手臂機構的設計 24
5.1 手臂的設計要求 24
5.2 伸縮氣壓缸的設計 24
5.3 導向裝置 28
5.4 本章小結 28
6 機械手腰部和基座結構設計及計算 29
6.1 結構設計 29
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設計 29
6.3 導向裝置 32
6.4 平衡裝置 32
6.5 機身回轉(zhuǎn)機構的計算 32
6.6 本章小結 33
7 機械手的PLC控制系統(tǒng)設計 34
7.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 34
7.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 35
7.3 可編程序控制器的使用步驟 35
7.4 機械手可編程序控制器控制方案 36
7.5 本章小結 46
8 結論 47
參考文獻 48
致謝 49
1 緒論
計算機技術的不斷進步和發(fā)展使機器人技術的發(fā)展一次次達到一個新水平。上至太空船、宇宙飛船、下至微型機器人、深海開發(fā)，機器人技術已拓展到全球經(jīng)濟發(fā)展的諸多領域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展，科技的進步已和機器人的研究、應用產(chǎn)生了密不可分的關系。人類社會的發(fā)展已離不開機器人技術，而機器人技術的進步又對推動科技發(fā)展起著不可替代的作用[1]。
基于PLC控制四自由度氣動式機械手
摘 要
隨著科技的發(fā)展，機械手在工業(yè)領域得到越來越廣泛的運用，它可以幫助人們完成危險、重復的體力勞動，大大提高生產(chǎn)效率。
本課題對機械手的手爪、手腕、手臂、腰部和機座部分進行了設計，確定機械手采用圓柱坐標式。手爪的張合，手臂和腰部的伸縮，機座和手腕的旋轉(zhuǎn)都采用氣缸驅(qū)動。此機械手可以運用于工業(yè)流水線上，完成把指定物件從一個地方運送至另一地方的任務。機械手的系統(tǒng)控制由可編程序控制器完成，按照機械手的動作流程，完成了相應的接線圖和程序編制。
關鍵詞：機械手，工業(yè)領域，氣缸，可編程序控制器
基于PLC控制四自由度氣動式機械手 50
ABSTRACT
With the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.
In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.
Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller
目 錄
1 緒論 1
1.1 機械手的概述 1
1.2 機械手的發(fā)展史 1
1.3 氣動技術及氣動機械手的發(fā)展過程 2
1.4 機械手未來的發(fā)展趨勢 3
1.5 本課題研究內(nèi)容 4
1.6 課題研究的意義 4
2 機械手的總體設計方案 6
2.1 機械手的工作原理及系統(tǒng)組成 6
2.2 機械手基本形式的選擇 7
2.3 驅(qū)動機構的選擇 8
2.4 機械手詳細設計參數(shù) 8
2.5 本章小結 8
3 機械手手部結構設計及計算 9
3.1 手部結構 9
3.2 機械手手爪設計計算 9
3.3 夾緊氣缸的設計 11
3.4 手爪夾持范圍計算 13
3.5 機械手手爪夾持精度的分析計算 14
3.6 彈簧的設計計算 15
3.7 本章小結 17
4 腕部的設計計算 18
4.1 腕部設計的基本要求 18
4.2 腕部的結構以及選擇 18
4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算 19
4.4 腕部工作壓力的計算 20
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?21
4.6 動片和輸出軸間的連接螺釘 22
4.7 本章小結 23
5 機械手手臂機構的設計 24
5.1 手臂的設計要求 24
5.2 伸縮氣壓缸的設計 24
5.3 導向裝置 28
5.4 本章小結 28
6 機械手腰部和基座結構設計及計算 29
6.1 結構設計 29
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設計 29
6.3 導向裝置 32
6.4 平衡裝置 32
6.5 機身回轉(zhuǎn)機構的計算 32
6.6 本章小結 33
7 機械手的PLC控制系統(tǒng)設計 34
7.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 34
7.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 35
7.3 可編程序控制器的使用步驟 35
7.4 機械手可編程序控制器控制方案 36
7.5 本章小結 46
8 結論 47
參考文獻 48
致謝 49
1 緒論
計算機技術的不斷進步和發(fā)展使機器人技術的發(fā)展一次次達到一個新水平。上至太空船、宇宙飛船、下至微型機器人、深海開發(fā)，機器人技術已拓展到全球經(jīng)濟發(fā)展的諸多領域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展，科技的進步已和機器人的研究、應用產(chǎn)生了密不可分的關系。人類社會的發(fā)展已離不開機器人技術，而機器人技術的進步又對推動科技發(fā)展起著不可替代的作用[1]。
1.1 機械手的概述
機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂部的某些動作功能，可以按固定程序抓取、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(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)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。
機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓取工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)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(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)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(zhuǎn)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(shù)。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2～3個自由度。
機械手的種類，按驅(qū)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制和連續(xù)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(chǎn)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(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件[2]。
1.2 機械手的發(fā)展史
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)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(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.3 氣動技術及氣動機械手的發(fā)展過程
氣動技術是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術，是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。
大約開始于1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功地用到火車的制動上。20世紀30年代初，氣動技術成功地應用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至50年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構成工業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風動技術相提并論。在70年代，由于氣動技術與電子技術的結合應用，在自動化控制領域得到廣泛的推廣。80年代進入氣動集成化、微型化的時代。90年代至今，氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術日趨完美，高精度模塊化氣動機械手問世，智能氣動這一概念產(chǎn)生，氣動伺服定位技術使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位，智能閥島十分理想地解決了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。
氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。氣動機械手強調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術的氣動機械手在控制方面采用了先進的閥島技術（可重復編程等），氣動伺服系統(tǒng)（可實現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機構上全部采用模塊化的拼裝結構。
90年代初，由布魯塞爾皇家軍事學院Y·Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機器人——“阿基里斯”六腳勘探員，是氣動技術、PLC控制技術和傳感技術完美結合產(chǎn)生的“六足動物”。6個腳中的每一個腳都有3個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之用。
由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機器人，它集遙感技術和真空技術于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。Tron-X電子氣動機器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能與人進行對話，或作自我介紹等。Tron-X電子氣動機器人集電子技術、氣動技術和人工智能為一體，它告訴我們，氣動技術能夠?qū)崿F(xiàn)機器人中最難解決的靈活的自由度，具有在足夠工作空間的適應性、高精度和快速靈敏的反應能力[3]。
1.4 機械手未來的發(fā)展趨勢
（1） 重復高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
（2） 模塊化
有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。
智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。
（3） 無給油化
為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
（4） 機電氣一體化
由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。
總之，隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領域得到了應用。從傳統(tǒng)的汽車制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。
在未來幾年，傳感技術，激光技術，工程網(wǎng)絡技術將會被廣泛應用在機械手工作領域，這些技術會使機械手的應用更為高效，高質(zhì)，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術和產(chǎn)業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領域得到應用[3]。
1.5 本課題研究內(nèi)容
研究內(nèi)容是設計一個由PLC控制的四自由度氣動式機械手，機械手能完成手爪夾緊、放松，手腕旋轉(zhuǎn)，手臂伸縮，腰部的上升下降和機座的旋轉(zhuǎn)功能。并且畫出機械手的總裝圖和各部件的零件圖。
并且根據(jù)課題，設計出機械手的氣路系統(tǒng)，包括元器件的選取和回路的設計，畫出氣路原理圖。
機械手控制部分由PLC完成，通過設計要完成PLC的選型、PLC的外部接線圖以及根據(jù)機械手的流程圖編寫出PLC梯形圖。
1.6 課題研究的意義
伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機械手就在這樣誕生了,機械手是機械手系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。如蛇形機械手的出現(xiàn)，幫助人類完成了許多危險區(qū)域的任務[4]。其中的工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應用機械手，可以逐步改善勞動條件，更強與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床，減少工藝過程中的工作量及降低停產(chǎn)時間和庫存，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，提高企業(yè)競爭力，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐[5]。巴雷特機械手就是其中的典型代表，一個在運行中能調(diào)整自己適應環(huán)境并安全的變成各種各樣形狀的一個智能化、高度靈活的八軸夾持器[6]。
2 機械手的總體設計方案
2.1 機械手的工作原理及系統(tǒng)組成
機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作[7]。
（1）執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
a.手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，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。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)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物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。傳力機構通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構的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。
b.手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)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(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
c.立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
d.機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
（2）驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。
（3）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
（4）位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置[8]。
2.2 機械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: a直角坐標型機械手；b圓柱坐標型機械手； c球坐標(極坐標)型機械手；d多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，容易實現(xiàn)[7]。因此，本設計采用圓柱坐標型。圖2-1是機械手外觀輪廓圖。
圖2-1機械手外觀輪廓圖
2.3 驅(qū)動機構的選擇
驅(qū)動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 機械手的驅(qū)動方式共有三種方式：氣動方式,液壓方式,電驅(qū)動方式[9]。
（1）氣動方式：成本低,出力小,噪聲大,控制簡單。但難以準確控制位置和速度。屬于簡單非伺服型。
（2）液壓方式： 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動力源,漏油和油性變化會影響系統(tǒng),各軸耦合較強,成本較高?？捎糜谝妆沫h(huán)境。
（3）電驅(qū)動方式：
a.步進驅(qū)動： 功率小,開環(huán)控制,控制簡單,可能失步。
b.直流驅(qū)動： 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護,不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。
c.交流驅(qū)動： 維護簡單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性差。
根據(jù)課題要求確定圓柱坐標型機械手，利用雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂上下運動；雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結構，用小型單作用氣壓缸驅(qū)動夾緊；手腕和機座的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動實現(xiàn)。
2.4 機械手詳細設計參數(shù)
機械手的設計參數(shù)如下所示：
2 機械手（重復）定位精度：±0.5mm；
2 機械手最大抓重：1kg；
2 工件尺寸：直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)；
2 支座旋轉(zhuǎn)角度為：90度（最大速度：90度每秒）；
2 物料盤（采用步進電機控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒）；
2 Y軸大臂上下移動距離為：20cm（最大速度10cm/s）；
2 Y軸小臂上下移動距離為：10cm（最大速度10cm/s）；
2 X軸小臂伸縮距離：10cm （最大速度10cm/s）；
2 手指開合角度為：60度（最大速度60度每秒），手爪旋轉(zhuǎn)角度為180度；
2 料槽小臂（推動工件的推桿）伸縮距離為：15cm（最大速度10cm/s）。
2.5 本章小結
本章主要講述了機械手的工作原理和系統(tǒng)組成，并且簡要介紹了執(zhí)行部分。機械手動作形態(tài)采用圓柱坐標式，四自由度的運動執(zhí)行均由氣缸驅(qū)動完成。
3 機械手手部結構設計及計算
3.1 手部結構
四自由度氣動機械手采用夾持式手部結構，由手爪和傳力機構所組成。其傳力結構形式多樣，有楔塊杠桿式、滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、左右旋絲杠平移型[10]，本設計采用滑槽杠桿式的傳力機構。
3.1.1 端執(zhí)行器的要求
（1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。
（2）應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器機構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結構復雜、費用昂貴的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器[10]。
3.1.2 手爪的分類和選取
工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型。回轉(zhuǎn)型手爪又可分為單支點回轉(zhuǎn)和雙支點回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式，按驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種。
回轉(zhuǎn)型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變化時，將引起工件的軸心偏移。這個偏移量稱為夾持誤差。
平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，但其架構復雜，體積大，制造精度要求高。
當設計機械式夾持器式，在滿足工件定位精度要求的條件下，盡可能采用結構較簡單的回轉(zhuǎn)型夾持器。[10]
結合機械手設計任務書中要求：手爪開合角為60度，且能夠抓取重約1kg的圓柱形鐵質(zhì)工件。所以本設計采用雙支點回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手爪。
3.2 機械手手爪設計計算
3.2.1 手爪的力學分析
下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿，如圖3-1為常見的滑槽杠桿式手部結構。
圖3-1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
= （3-1）
式中： ——驅(qū)動力；
——夾緊力；
——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離；
——手指長度；
——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。
由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則夾緊力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=~。
3.2.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
（1）手指對工件的夾緊力可按公式計算：
（3-2）
式中: ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
——軸向力；
——V形手抓的開合角；
——工件和手抓間的摩擦系數(shù)；
計算：設a=10mm,b=30mm, =，求夾緊力和驅(qū)動力 。
設K=1.5，，0.3
根據(jù)公式，將已知條件帶入得：
（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
由于實際采用的氣壓缸驅(qū)動力大于計算，把手抓的機械效率考慮在內(nèi)，一般取。
（3）取
（3-3）
3.3 夾緊氣缸的設計
3.3.1 主要尺寸的確定
（1）氣缸工作壓力的確定
由表3-1取氣缸工作壓力
表3-1 氣壓負載常用的工作壓力
負載F/N
<5000
5000~ 10000
10000~
20000
20000~
30000
30000~
50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5~7
（2）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
可由下式推算出氣壓缸的內(nèi)徑D：
（3-4）
預設活塞桿直徑d=0.5D,氣缸工作壓力P=0.4MPa,根據(jù)機械設計手冊氣壓傳動分冊P22-125，選取氣壓缸內(nèi)徑為：D=32mm。
可以得出活塞桿內(nèi)徑為:
d=0.5D=320.5=16mm，選取d=14mm。
（3）缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
（3-5）
式中，
—— 缸筒壁厚，(mm)；
—— 氣缸內(nèi)徑，(mm)；
—— 氣缸試驗壓力，一般?。≒a）；
——氣缸工作壓力 （Pa）；
——缸筒材料許用應力（Pa）。
本設計手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
（4）手部活塞桿行程長L計算
活塞桿的位移量S可推得：
S （3-6）
氣缸的活塞行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量[11]。
（3-7）
故氣壓傳動手冊圓整為。
（5）手爪部分總質(zhì)量估算：
（3-8）
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關手冊可得， 45號鋼密度為 ；
ZL1060的密度為 。
手爪部分總質(zhì)量約為 ：
3.4 手爪夾持范圍計算
為了保證手爪張開角為，活塞桿運動長度為27mm。
（a）手爪最小夾持半徑 （b）手爪最大夾持半徑
圖3-2 手爪張開示意圖
手爪夾持范圍的計算，手指長30mm，當手抓沒有張開角的時候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑=10，當張開時，如圖3-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計算如下：
機械手的夾持半徑從。
3.5 機械手手爪夾持精度的分析計算
機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算。
圖3-3 手爪夾持誤差分析示意圖
該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。
機械手的夾持范圍為10mm~26mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑： （3-9）
手指長,取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
（3-10）
計算 ： （3-11）
當時帶入有：
所以夾持誤差滿足設計要求。
3.6 彈簧的設計計算
選擇彈簧按照壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3-4所示，計算過程[13]如下。
圖3-4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)
（1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力
（2）選擇旋繞比C=8，則
（3-12）
（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=22mm，估算彈簧絲直徑
（4）試算彈簧絲直徑
（3-13）
取3mm。
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：
（3-14）
選擇標準為，彈簧的總圈數(shù)圈
（6） 最后確定：
，，，
（7） 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，。
彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
（8） 疲勞強度和應力強度的驗算。
對于循環(huán)次數(shù)多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）。
現(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式：
（3-15） 選取1.3~1.7（力學性精確能高）
（3-16）
經(jīng)過上式校核，彈簧滿足要求。
3.7 本章小結
本章對機械手的手部和手爪進行了設計，并且對夾緊氣缸進行了選取計算，對夾持范圍和夾持精度進行了計算，最后對彈簧強度進行了校核，符合使用要求。
4 腕部的設計計算
4.1 腕部設計的基本要求
（1）力求結構緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件
對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素[10]。
4.2 腕部的結構以及選擇
4.2.1 典型的腕部結構
（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。
（2）齒條活塞驅(qū)動的腕部結構。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。
（3）具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。
（4）機-液結合的腕部結構。
4.2.2 腕部結構的選擇
結合任務書設計要求，手腕要求旋轉(zhuǎn)180度，考慮上述經(jīng)典結構，選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)腕部結構，氣壓傳動。
4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算
腕部在回轉(zhuǎn)時一般要克服以下3種阻力：
（1）腕部回轉(zhuǎn)摩擦處的摩擦力矩
為簡化計算，一般取
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
（4-1）
式中 ：工件重量（n）
e：工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）
（3）克服啟動慣性所需的力矩
啟動過程近似等加速，按下式計算：
（4-2）
或者按照腕部角速度和啟動時所轉(zhuǎn)過的角度計算：
（4-3）
式中：：工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；
：手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；
：手腕回轉(zhuǎn)過程中的角速度；
：啟動過程所需的時間，一般取0.05~0.3s；
：啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。
手腕回轉(zhuǎn)所需的總的阻力矩是上述三項之和，即：
（4-4）
設夾取棒料半徑15mm，長度180mm，重量1Kg，當手部回轉(zhuǎn)時，將手爪、手爪驅(qū)動氣壓缸及回轉(zhuǎn)氣壓缸等效為一個圓柱體，長為200mm，半徑為40mm，其重力G，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。
（4-5）
因為工件夾持在手抓中間位置，所以工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離為0，
=0
（4-6）
查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：
代入：
4.4 腕部工作壓力的計算
表4-1 氣壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設缸體內(nèi)空半徑R=26mm，考慮到實際裝配問題后，其外徑為100mm；動片寬度b=30mm，輸出軸r=12mm。
由于實際氣壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩，則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇P=0.5Mpa。
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
圖4-1 缸蓋螺釘間距示意圖
表4-2螺釘間距t與壓力P之間的關系
工作壓力P（Mpa）
螺釘?shù)拈g距t(mm)
小于150
小于120
小于100
小于80
缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖鐖D4-1所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關，見表4-2，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力
（4-7）
——工作載荷；
——預緊力。
氣壓缸工作壓強為P=0.5Mpa,所以螺釘間距t小于150mm,試選擇4個螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=4個 。
危險截面
（4-8）
（ ）
所以：
螺釘材料選擇Q235，（）
螺釘?shù)闹睆剑?
（4-9）
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=6mm[13]。
4.6 動片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸間的連接螺釘,連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。
（4-10）
于是得 ：
（4-11）
D——缸體內(nèi)徑；
b——動片寬度；
p——回轉(zhuǎn)缸工作壓力；
——動片和輸出軸間連接螺釘?shù)念A緊力；
d——動片與輸出軸配合處的直徑；
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對銅取f=0.15。
螺釘?shù)膹姸葪l件為 ：
（4-12）
帶入有關數(shù)據(jù)，得：
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆剑?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=4mm，選擇M4的開槽盤頭螺釘[14]。
4.7 本章小結
本章對機械手腕部的結構進行了選擇，對手腕的工作壓力進行了設計計算，對氣壓缸蓋螺釘?shù)臄?shù)量進行了設計，最后選擇4個螺釘為合理數(shù)量。
5 機械手手臂機構的設計
5.1 手臂的設計要求
（1）臂部應承載能力大，自重輕。
（2）臂部運動速度高，慣性小。
（3）手臂動作靈活。
（4）位置精度高。
5.2 伸縮氣壓缸的設計
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
（1）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設計要求，結合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑：
圓整后，取活塞桿直徑
查表取氣缸工作壓力
由公式：
（5-1）
（5-2）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取。得 。
（2）缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（3-5）計算:
設計的伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL1060, []=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：
取，則缸筒外徑為：。
（3）手部活塞桿行程長確定
按設計要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關手冊圓整為。
（4）活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當氣缸承受的軸向負載達到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5-3）
式中：
——氣缸承受的軸向負載，即氣缸的理論輸出推力，；
——氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，；
——氣缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取。
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關[15]。
當長細比時，
（5-4）
當長細比時，
（5-5）
上式中：
——活塞桿計算長度 ；
——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑；
實心桿半徑：
（5-6）
空心桿半徑：
（5-7）
——活塞桿斷面慣性矩；
實心桿慣性矩：
（5-8）
空心桿慣性矩：
（5-9）
——空心活塞桿內(nèi)孔直徑；
——活塞桿截面積；
實心桿截面積：
（5-10）
空心桿截面積：
（5-11）
——系數(shù)，查手冊 ；
——材料彈性模量，對鋼?。?
——材料強度實驗值，對鋼取；
——系數(shù)，對鋼取 ；
查閱機械手冊氣缸設計章由表得安裝方式為固定-自由式 ，取，
代入公式（5-6）至（5-11）：
實心桿半徑：
由于 ，用公式（5-5）：
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
（5）驅(qū)動力校核
測定手爪與手爪夾緊氣缸質(zhì)量為，估算為，設計加速度，則慣性力：
（5-12）
原式：。
考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù)，
總受力為：
因為，所以該氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。
（6）前后運動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL1060；
連接件采用HT250。
查相關手冊， 45號鋼密度為7.85；
ZL106的密度為 2.73；
HT250密度為 7.35；
經(jīng)計算，可算出質(zhì)量約為：
5.3 導向裝置
氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。
目前常采用的導向裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。
5.4 本章小結
本章主要對機械手的手臂結構進行了設計計算，確定了手臂氣缸的具體尺寸，對活塞桿進行了計算和穩(wěn)定性的校核。導向裝置選用單向?qū)U。
6 機械手腰部和基座結構設計及計算
6.1 結構設計
通過安裝在機座上的旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在轉(zhuǎn)動殼體上的氣缸實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導柱導向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座可以一起轉(zhuǎn)動。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料。
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設計
6.2.1 確定主要尺寸
（1）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設計要求，結合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結構尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑：
圓整后，取活塞桿直徑 。
查手冊取氣缸工作壓力。
由公式（5-1）、（5-2）：
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取。得 。
（2）缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算：
氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：
取，則缸筒外徑為：
（3）手部活塞桿行程長確定
按設計要求，腰部上下運行距離為20cm，即200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關手冊圓整為。
（4）活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當氣缸承受的軸向負載達到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件公式（5-3）：
當長細比時，用公式（5-5）：
實心桿回轉(zhuǎn)半徑：
實心桿截面積：
——系數(shù)，由查表安裝方式為固定-固定式 ，得；
——材料強度實驗值，對鋼取；
——系數(shù)，對鋼?。?
代入公式（5-6）至（5-11）：
得 ，
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
（5）上下移動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導向套材料采用45鋼，缸體采用鋁合金ZL106，連接件采用HT250。
查相關手冊， 可得：45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計算，可算出質(zhì)量約為：
所以總質(zhì)量約為：
6.2.2 氣缸結構設計
（1）缸筒和缸蓋的連接
查閱機械設計手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。
（2） 活塞桿與活塞的連接結構
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結構和組合結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結構簡單，裝卸方便，應用較多。
（3） 密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
采用O型密封圈。工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結構比較簡單，目前使用的范圍較廣。
（4）氣缸的安裝連接結構
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結構需要，該氣缸用法蘭式安裝連接。
6.3 導向裝置
氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行上下運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。
在本設計中才用雙導向桿來增加腰部的剛性和導向性。
6.4 平衡裝置
在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手爪一側的重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)配一塊重量為8 kg的鐵塊。這樣，機械手臂的傾覆力矩就非常小，不會有翻到的狀況發(fā)生。
6.5 機身回轉(zhuǎn)機構的計算
旋轉(zhuǎn)氣壓缸所需，。
（1） 計算
（6-1）
（6-2）
（6-3）
將回轉(zhuǎn)部件等效為一個圓柱體，長為1500mm，半徑為60mm，其重力=800N，設啟動的角速度，啟動時間t=0.1s，所以：
=
=
=147461.6
（2）的計算
為了方便計算，，
所以：
=461.6+0.03+0
回轉(zhuǎn)氣壓缸參數(shù)計算如下：
設b=60mm，工作壓力P=4Mpa，d=50mm
則由得：
（6-4）
所以圓整取氣壓缸的內(nèi)徑為140 mm。
6.6 本章小結
本章對機械手的腰部和機座部分進行了設計計算，確定了腰部氣缸的內(nèi)徑