气动机械手回转臂结构设计

气动机械手回转臂结构设计

第一章 概述

1.1 气动机械手概述

气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: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。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 机械手的组成和分类

1.2.1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等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。

1

图1-1机械手组成方框图:

Pane chart of composition of manipulator

(一)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。

1、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手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有: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。 2、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(即姿势)

3、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。 4、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。

5、行走机构

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，可在机座上安滚轮式

2

行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座

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。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常

用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。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)，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。 (三)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。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)，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。 (四)位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并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. 1.2.2 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。 (一)按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘叻口工中心” 2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。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自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控

3

制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手

是以液压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。但对密封装置要求严格，不然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，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、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:介质李源极为方便，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。 3、机械传动机械手

即由机械传动机构(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，但结构较大，动作程序不可变。 4、电力传动机械手

即有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和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三)按控制方式分 1、点位控制

它的运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，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制

它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的，整个移动过程处

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。

1.3 国内外发展状况

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系

4

统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

5

1.4课题的提出及主要任务

1.4.1课题的提出

进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的

缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，将机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。。

现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:

(1)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。

(2)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。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

(4)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。

鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动， 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。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，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，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，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。 1.4.2课题的主要任务

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本课题将要完成的主要任务如下:

(1) 进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计； (2) 设计气动机械手气路设计，进行关键部件的设计计算；

(3) 设计气动机械伸缩、回转臂部分结构，进行关键部件的设计计算； (4) 人工移动式（无动力）点位示教部分控制软件设计与上位监控系统设计

第二章 机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.

2.1机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度

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图2-1 机械手的运动示意图

Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator

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2.2 机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3 机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5 机械手的驱动方案设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

2.6 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.7 机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为0.5公斤

2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为0.1m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为0.08m/s。平均回转速度为60/s。

??2.8 机械手的技术参数列表

一、用途:

用于自动输送线的上下料。 二、设计技术参数: 1、抓重

0.5kg 2、自由度数

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4个自由度 3、座标型式

圆柱座标 4、手臂运动参数 伸缩行程100mm 伸缩速度40mm/s 升降行程50mm 升降速度100mm/s 回转范围0??180? 回转速度90?/s 5、手腕运动参数 回转范围 0??180? 回转速度90?/s 6、手指夹持范围 棒料: ?5~ ?20 9、定位方式 行程开关 10、定位精度

?1mm

11、驱动方式

气压传动 12、控制方式

点位程序控制(采用PLC)

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第三章 手臂伸缩，回转气缸的尺寸设计与校核

3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核

3.1.1手臂伸缩气缸方案一的尺寸设计与校核

为方便大规模生产需求以及采购，根据实验设计要求，手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为?100/63.

(1).在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P?0.4MPa, 则驱动力： F?P??R

2?0.4?106?3.14?0.03152

?1246(N)（2）. 测定手腕质量为5kg,设计加速度a?10(m/s)，则惯性力

F1?ma

=10×5=50

11

（3）.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,

Fm?k.F1

=50×0.2 =10

? 总受力F0?F1?Fm =50+10=60 F0?F

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。 3.1.2手臂伸缩部分方案二的尺寸设计与校核

为使所设计的机械手拥有更高精度，同时便于安装调试，现设计手臂伸缩部分第二套方案。 (1) 活塞杆上输出力和缸径的计算 活塞左行时活塞杆产生推力

F1,活塞右行时产生拉力F2。

F1??D2p4

?Fz

式中

活塞杆的推力(N); 活塞杆的拉力(N); 活塞直径(m); 活塞杆直径(m); 气缸工作压力(Pa);

F2??4(D2?d2)p?Fz

气缸工作总阻力(N);

气缸工作时的总阻力

Fz与众多因素有关,如运动部件惯性力,背压阻力,密封处摩擦力等.

以上因素可以载荷率的形式计入公式,如要求气缸的静推力后

载荷率一般取

F1和静拉力F2,则计入载荷率

计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征.若气缸动态参数要求较高;且工作频率高,其

,速度高时取小值,速度低时取大值.若气缸动态参数要求一般,

。根据要求本次设计中,我们取

且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取

??0.8。活塞杆拉力F2为克服机械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的

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力为

F2?(1.5?0.5)?10?20N

可求得气缸直径D。 当推力作功时

活塞杆d可根据气缸拉力预先估定。估定活塞杆直径可按

计算得

=85mm

式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。 以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值。 根据

可估算得 d=12cm

（2）活塞杆的计算

1）按强度条件计算 当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d

式中 极限力

气缸的推力（N）；

活塞杆材料的许用应力(Pa),材料的抗拉强度（Pa）； 安全系数，S≥1.4。

按纵向弯曲极限力计算 气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到

以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方

式、活塞杆直径及行程有关。

当长细比

时

当长细比

时

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式中

活塞杆计算长度（m），见表3-3 活塞杆横截面回转半径，

实心杆 空心杆

活塞杆横截面惯性矩，

实心杆 空心杆

空心活塞杆内径直径（m）； 活塞杆截面积

实心杆 空心杆

3.1.3.导向装置

系数，见表3-3

材料弹性模量，对钢取材料强度实验值，对钢取系数，对钢取a=1/5000

气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 3.1.4 平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

3.2手臂回转气缸的尺寸设计与校核

3.2.1 尺寸设计

气缸长度设计为b?120mm,气缸内径为D1?210mm,半径R=105mm,轴径

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D2?40mm半径R?20mm,气缸运行角速度?=90?/s，加速度时间?t?0.5s,

压强P?0.4MPa,

pb(R2?r2) 则力矩：M?

20.4?106?0.12(0.1052?0.0202)? 2?255(N.m)

3.2.2 尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量m1=20kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r?200mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J?

2 =20×0.1/2 =0.1（kg.m2） M惯?J.??t

=0.1×(90/0.5)=18

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k?0.2, M摩?k.M惯 =0.2×18=3.6 总驱动力矩

M驱?M惯?M摩 =18+3.6=21.6 M驱〈M

? 设计尺寸满足使用要求。

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第四章 气动系统设计

4．1气压传动系统工作原理图

图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

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图4-1 机械手气压传动原理图

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各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

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第五章 机械手的PLC控制设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

5.1可编程序控制器的选择及工作过程

5.1.1 可编程序控制器的选择

目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。本次设计中选择了SIMATIC公司的S7-200的可编程序控制器。

S7-200 PLC是SMIATIC S7家族中的小型可编程控制器，适用于各行各业、各种应用场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200的使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制，到极复杂的自动化控制，应用领域极为广泛。S7-200的应用范围覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。S7-200在全世界拥有数以百万计的成功应用案例，无论是单独运行，还是联网应用。

S7-200将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通信选项，具有极高的性能/价格比。S7-200的系统的硬件、软件都易于使用。S7-200系统坚持一贯的模块化设计，不但能够经济地满足目前的项目要求，也为将来扩展提供了开放的接口。S7-200易于编程，引入了编程工具箱（ToolBox）概念，设计了许多编程向导（Wizard）以方便用户完成一些比较复杂的程序设计工作。

S7-200 CN 继承了 S7-200 的优良品质和卓越性能，适用范围可覆盖从替代继电器的简单 控制到复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动监测，自动化控制有关的工 业及民用领域，包括各种纺织机械、中央空调、印刷机械、包装机械、工程机械、小型机床、 楼宇自控、民用设施、环境保护设备等等。

S7-200的出色性能表现在：

? ? ? ? ? ? ?

极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 丰富的扩展模块

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图5-1CPU外形结构

? ?

CPU及其扩展模块安装在标准的35mm的导轨上

模式选择开关：开关拨到RUN，则CPU运行（在上电时，CPU会自动运行）；开关拨

到STOP，CPU停止；开关拨到TERM时，不改变当前操作模式。当模式选择开关打在RUN或TERM状态时，可以使用Micro/WIN编程软件来控制CPU的运行停止。

? CPU226和CPU226XM上有两个通信口

图5-2 S7-200 CN CPU 正面

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图5-3 S7-200 CN CPU 侧面

图5-4 S7-200 CN EM（扩展模块）正面

图 5-5 S7-200 CN EM 侧面 5.1.2 可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。 第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存

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放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。 第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息 送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。 第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。 第四阶段是输出处理阶段。

段CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

5.2 S7-200的扩展模块

除了CPU221外，S7-200的其他CPU型号都可以附加扩展模块，以增加I/O点数、扩展通信能力和一些特殊功能。

S7-200的扩展模块包括：

? ? ? ?

数字量I/O扩展模块 模拟量I/O模块 通信模块 功能模块

不同类型的模块可以组合搭配，一起做S7-200 CPU的扩展模块。 5.2.1数字量I/O扩展模块

数字量I/O扩展模块有：

? o o o ?

EM221：数字量输入扩展模块。包括

8点 x 24VDC 8 x 120/230VAC 16 x 24VDC

EM222： 数字量输出扩展模块

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o o o o o ? o o o o o o

4 x 24VDC/5A 4 x 继电器/10A 8 x 24VDC/0.75A 8 x 继电器/2A 8 x 120/230VAC/0.5A

EM223：数字量输入/输出混合模块

4 x 24VDC输入；4 x 24VDC/0.75A输出 4 x 24VDC输入；4 x 继电器/2A输出 8 x 24VDC输入；8 x 24VDC/0.75A输出 8 x 24VDC输入；8 x 继电器/2A输出 16 x 24VDC输入；16 x 24VDC/0.75A输出 16 x 24VDC输入；16 x 继电器/2A输出

不同类型的数字量模块可以同时连接到CPU后面，只要注意各自的电源连接就可以了。 数字量I/O接线

5.2.2模拟量扩展模块

除了CPU224 XP外有两通道输入/一通道输出的简单模拟量I/O组外，其他CPU都需要加模拟量扩展模块才能获得模拟量I/O能力。

? ? ? ?

EM231：4通道电源/电流模拟量输入 EM231 RTD：2通道热电阻温度输入模块 EM231 TC：4通道热电偶温度输入模块

EM235：4通道电压、电流输入/1通道电压、电流输出模块

5.2.3通信模块

除CPU本体上的通信口可以支持PPI/MPI和自由口通信之外，S7-200系列使用扩展模块支持更多的通信模式。 这些通信模块有：

? EM277：PROFIBUS-DP/MPI通信模块。带DB-9插座，可连接到PROFIBUS-DP和MPI

网络上。EM277也可以用于连接西门子的HMI产品

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? EM241：模拟音频调制解调器（Modem）模块，带RJ11电话插口。支持自动电话拨号

等功能

CP243-1：以太网模块，带RJ45接口，可连接到支持TCP/IP标准的以太网中，与西

门子的其他CP243模块、CP343/CP443模块，或西门子软件（OPC Server）通信

CP243-1 IT：带因特网功能的以太网模块，除CP243-1的功能外，还支持FTP、HTTP、

E-mail等IT功能

CP243-2：AS-Interface（执行器－传感器接口）主站模块。AS-Interface从站可以连

接到端子上。一个完整的系统还需要AS-Interface电源等设备

5.2.4功能模块

S7-200目前有一种特殊功能模块：

?

?

?

? EM253：定位处理模块，支持开环速度和定位控制。一般用于控制步进电机控制器和

伺服电机控制器。支持RS422/RS-485差动输出和漏极开路输出。每个模块可以控制一个轴。使用多个模块的情况下也不能进行复杂的插补计算

5.3 plc程序的实现

S7-200的数据主要分为：

? o o o o ? o o o o

与实际输入/输出信号相关的输入/输出映象区：

I：数字量输入（DI） Q：数字量输出（DO） AI：模拟量输入 AQ：模拟量输出

内部数据存储区

V：变量存储区，可以按位、字节、字或双字来存取V 区数据 M：位存储区，可以按位、字节、字或双字来存取M区数据

T：定时器存储区，用于时间累计，分辨率分为1ms、10ms、100ms三种 C：计数器存储区，用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。CPU提供

了三种类 型的计数器：一种只能增计数；一种只能减计数；另外一种既可 以增计数，又可以减计数

数据长度 （二进制位） 寻址格式 数据类型 取值范围

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BOOL（位） 1（位） 8 BYTE（字节） （字节） INT（整数） 16 （字） WORD（字） DINT （双整数） DWORD （双字） REAL （实数） 32 （双字） 布尔数 真（1）；假（0） （二进制位） 无符号整数 0 ~ 255；0 ~ FF（Hex） - 32768 ~ 32767； 8000 ~ 7FFF（Hex） 0 ~ 65535； 0 ~ FFFF（Hex） - 2147483648 ~ 2147483647 8000 0000 ~ 7FFF FFFF（Hex） 0 ~ 4294967295； 0 ~ FFFF FFFF（Hex） -3.402823E+38 ~ -1.175495E-38（负数）； +1.175495E-38 ~+3.402823E+38（正数）； 0.0 ASCII字符、 汉字内码（每个汉字2字节） 1 ~ 254个ASCII字符、 汉字内码（每个汉字2字节） ※有符号整数 无符号整数 有符号整数 无符号整数 IEEE 32位 单精度浮点数 字符列表 ASCII 8/个 STRING （字符串） （字节） 字符串 图5-6 S7-200支持的数据格式

5.4 本程序设计思路

我所设计的程序要求要求在无动力的情况之下，人工移动机械手使其完成任意的动作。在打开动力后，按下“示教”按钮，系统可以演示处在无动力时的所有动作。

我的想法是利用机械手各部位限位开关的跳变进行存储以及提取，从未而实现机械手的运动。

无动力人工运动时，各个限位开关的负跳变对应机械手的各个动作，需要注意的是，任何一个跳变所对应的动作是相反的。例如：缩回到位传感器从1跳变到0时，对应的动作是“机械手伸出”。因此在程序的内部必须进行一步从限位开关到机械手运动的转换，这在其他同学的程序中是没有的。

具体做法如下：机械手一共有8个限位开关，在出现跳变时也对应了8个不同的动作。如果出现负跳变，则将此限位开关的跳变存入V区的某个地址。每个地址有8个位，正好对应机械手的8个动作。（实际上在存储时没有用到VX.3，因为在plc内部并没有用到Q0.3,因此我在编程过程中也不用0.3这一位，这样做可以是程序在调试时更加方便，总体的风格

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保持一致。）在存储结束后，按下“再现示教”按钮，系统会一次性将这8位地址提取出来，当作QB0,从而在现机械手的所有动作，这样就实现了机械手的无动力示教。

还有一个很重要的问题是在演示过程中的时间问题，手动演示时步与步之间停顿的时间是不一样的，在线演示时必须要把每步间相差的时间体现出来，做到完整的示教。在编制程序时我在plc中设定定时器，在演示开始时定时，当输入发生跳变时把记录下的时间存入寄存器。这样，把跳变的时间相减就得到了某一部完整的运动时间了。再现演示时把寄存器中的时间数据提取出来，机械手就完全可以实现按照手动演示时的时间差运动了。

在程序的调试过程中，出现了许多困难。因为没有编程的经验，在程序中出现了许多错误。数据不匹配，字节，字、双字运用不合理等都是导致错误出现的原因。而且在程序中经常会出现难以发现的逻辑错误，使得程序无法运行。

由于课题的特殊性，在演示过程中有一点需要特别注意。因为本程序是下降沿激发，各个限位开关都是很灵敏的，所以在手动演示过程中，我必须要注意机械手必须要按照我所规定的动作运动。在任何方向想如果有细微的移动导致限位开关发生了跳变，程序就会记录下来，在演示时就会发生跟手动演示不一样错误。例如：如果手动演示时没有扶好，升降臂会因为自重的原因下降一定距离，限位开关跳变。当发现错误之后把升降臂调回到上极限位置，再次进行下降演示。在程序在线演示时，系统会先实现因为自重而导致的“下降”过程，当下降到下限位时，机械手无法再次下降，正常状态下的手动下降就不能实现了。解决的方法是如果出现了因为及其自身原因导致的限位开关跳变，则必须结束示教，本次储存的数据作废，一切从头开始。

当然，这个问题的出现是因为编程时不严谨导致的。如果把程序改成下降沿以及相对应传感器的上升沿激发则可以解决这个问题。比如当上升到位传感器的下降沿激发后，如果下降到位传感器的上升沿没有被激发，则系统不会采纳这次动作。这就解决了由于系统自身原因产生的动作干扰再现演示的问题。但是这个程序的实现难度会大大加大，也需要更多的时间编程以及调试才能实现。这是我在程序设计初期考虑不足导致的，没有做到对所做课题中充分的调查研究。庆幸的是这个错误没有导致课题没有实现，只需要在演示时多加注意就可以了。

本次毕业设计所用机械手在演示时不能停留在中间状态，这是由气动元件所决定的。这也在很大程度上减少了机械手所能完成动作的种类。

由于实验台设备的原因，在上位界面与plc通讯时，电脑无法进行监控。者直接导致了如果程序有错误，无法得知错误的原因。这样大大加大了程序编制的难度。编程人员只能在不链接上位界面的情况之下，对plc程序进行调试，当成功后，在利用上位界面进行控制。如果出现问题，就证明是上位界面出了差错。

下载项目到S7-200 CPU，使用状态图在线监控可以看到：

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图5-7 plc程序监控图

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第六章 上位界面的设计

E-view触摸屏的设计需要做到界面友好，操作方便等特点。在设计触摸屏界面时，需要了解自己的plc程序，从而设定所需要的按键，太多则略显复杂，少了则无法实现设计要求。在设计E-view屏时，还要充分考虑到每一个按键的性质，因为在调试plc程序时想要模拟按键是非常麻烦的。多次的改正会使毕业设计的效率很低，速度也会变得很慢。每一次下载的过程都会占用很长的时间。所以正确判断按键的性质是是非常重要的。

其次还要考虑到界面的美观，一个美观的操作界面会使操作者的工作效率提高，工作情绪高涨。要尽量使用柔和的色调，那些不常用到的颜色不宜使用，如果太长时间紧盯着屏幕会使眼睛产生疲劳感，降低工作效率。

因此，E-view屏的设计要满足简洁，美观，实用等特点。 在总界面，点击“无动力示教”按钮，进入我的eview界面。

图6-1 本设计E-view界面

界面中各按键作用如下：

演示开始：进入初始化程序，同时进入储存程序

记录数据：开始储存程序，按下此按钮后，可以手动对机械手进行操作。 记录结束：储存停止 准备示教：进入在现程序 示教开始：开始在现手动演示步骤

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回原点 ：无论机械手在任何位置，迅速回到初始位置。（缩回、逆转、上升、松开） 前 页：返回到主界面

在界面编制完成之后，就要对上位界面进行下载。系统配备的数据线可以直接连在电脑的com口上，在下载之前需要对Easybuilder的系统参数进行设置。

图6-2 系统参数设定图

首先要选定plc类型，本次毕业设计所使用的plc是SIEMENS S7/200，数据位设定成8位，plc站号设定成2。其余参数不变。

在系统参数设定好后，将联机线插入主机箱，此时可以对触摸屏界面进行下载。

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图6-3 E-view下载软件Easymanager操作界面

先要选定主机使用的com口，本次下载使用的是com2口。选择结束后，点击download，系统就会将选择的上位界面下载到触摸屏中。

图6-4 选择下载文件示意图

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图6-5 传输过程图

在传输结束后，点击jump to application按钮，对触摸屏进行应用。这时，在触摸屏上显示的就是刚刚上传完毕的界面了。

如果要对触摸屏的界面进行修改，可以选择upload，这个按键的作用是将触摸屏中的程序上传到电脑中，方便对触摸屏的修改。

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第七章 结 论

1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由 度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。 工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小， 不会污染环境。同时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度， 节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。 4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进 行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据 机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。

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结束语

本文是在我尊敬的导师李启光教授悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了机电工程学院老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，机电工程学院的各位老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢北京信息科技大学大学的学习环境。

袁 航 2008年6月3日

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/64l6.html