关键词：模拟人体手臂;关节型机器人
Abstract:withthemicroelectronicstechnology,thesensortechnology,controltechnologyandmachinerymanufacturingtechnologylevelofrapiddevelopment,applicationfieldofrobotgraduallyexpandfromcarintootherfields.Inalltypesofrobot,simulationofahumanarmrobotjoints,withcompactstructure,accountingforthespaceislittle,sportsalargespaceetc,andisoneofthemostwidelyusedarobot.Especiallybyflexiblejointsoftheflexibilityofthebionicrobotcomposedinservicerobotandrehabilitationrobotstheapplicationfieldsanddemandmoreandmoreoutstanding.
Keywords:simulationhumanarm;Jointrobot
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
1、引言
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其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。
2、气动技术发展状况及优缺点
气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件是气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体(例如压缩空气或惰性气体和热气体)为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，它包含气压传动和气动控制两方面的内容。
气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。
人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对其性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动力学和气动控制理论为主要内容的一门学科--气动系统理论。
目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点，气动技术真正成为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也由于气动技术具有以下许多优点:
(1)气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，是气动技术在广泛的各种应用具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有产生火花的危险。因此，它适用于有易燃或爆炸潜在危险的工矿。
(2)气动元件机构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。
(3)气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。
(4)气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和实验设备。
(5)适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。
(6)便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。
(7)气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时自动停止。
(8)气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为0.05~0.7m/s，有的高达1~3m/s，高速气缸可达15m/s。
调查资料表明，目前气动装置在工业自动化装备中占很重要的地位。
当然，气动技术也有其缺点:
(1)压缩空气需要进行除尘、除水处理。
(2)空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速度的精确控制带来很大的影响。
(3)系统运行时排放空气的噪声较大。
(4)气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。
尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的，所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术己成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为"廉价的自动化技术"。
3、机械手的系统工作原理及组成
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。
图1-1机械手的系统工作原理框图
机械手的工作原理：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。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装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.
(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。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，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、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如气压、液压或电机等)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、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。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有气压传动、液压传动、机械传动。
(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。该机械手采用的是PLC程序控制系统，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.
4、机械手的整体设计方案
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。设计液压机械手的原则是: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.本次设计的机械手是通用液压上下料机械手（如图4-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。
图4-1机械手的整体机械结构
5、总结
工业机器人由操作机(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生产设备。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。本文从气动技术的发展开始分析，通过对机械手的系统工作原理的总结与分析，最终提出了机械手的整体设计方案。
参考文献:
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在2016年伦敦市长国际学生创新奖中，来自香港的学生殷凡杀入决赛。殷凡的作品也许没有其他人那样高端、设计感十足，但就在他亮出作品那一刻，现场无数人受到了深深的感动。他的作品是一只其貌不扬的机械手臂，能让帕金森患者防止手部震颤。在此之前，帕金森这个疾病一直是所有医生的痛点，更是全球任何一个患者的噩梦，可殷凡的研究成果却让患者们在噩梦中见到了光明。
这场比赛中，殷凡成了焦点，人们围着他问一些想知道的问题，到最后，人们惊讶地发现，殷凡涉足科学领域不到两年。在此之前，他最大的梦想是成为一名设计师。直到两年前一次逐梦之路的意外，才让他下定决心研究帕金森治疗科技。
殷凡有一个好友，是他设计路上最坚实的伙伴。从小殷凡就对设计有浓厚兴趣，无奈的是家人不支持，这让他非常苦恼。可每当殷凡想放弃，朋友就会站在他的身边给予他最大的鼓励，正因如此，殷凡一直坚持了下去。到了大学，他们设计的作品获得了当地设计比赛的一等奖。有一天，殷凡发现朋友在画图纸时，握着笔的手疯狂颤抖，被送去医院后才得知，他患上了帕金森。一个设计师手如果一直在发抖，那他的设计生涯基本上就毁了，朋友知道这个消息后崩溃了，甚至迷失了自己。一场突如其来的病，就这么带走了朋友的梦想，殷凡看着眼前一路陪伴自己的朋友，内心受到了极大冲击。
此后，殷凡经常拿着笔对着图纸发呆，一笔也画不下去，他开始止不住地想，如果自己患了帕金森，那将会是怎样的心情；如果那些靠手追逐梦想的人患了帕金森，那将有多少人的梦想破碎。他扔掉了所有图纸、设计书、笔，开始拿起科技医疗方面的书籍资料，研究治好帕金森的科学技术。他知道，帕金森是遗传性疾病，而遗传又恰恰是医学界最为神秘的领域之一，研究医学也许穷极他一生也无法救治几个患者。但如果能研究出一项科技，能立刻让帕金森患者康复，那将会比医学更高效得多。
殷凡放弃了设计梦，转而追寻治好帕金森的道路。当父母得知后，有点蒙了，以前他们不支持，殷凡就坚持；现在他们支持了，殷凡又放弃了。面对父母的不理解，殷凡告诉他们，有的人能通过坚持获得梦想，但有的人即使坚持一生也无法得到梦想，他想让这些充满绝望的人重新看到希望。殷凡的话感动了父母，也获得了支持。
初窥科学技术的大门，殷凡就像刚出生的婴儿，路都不知道怎么走。看着那些晦涩难懂的书籍，他几次险些在书桌上睡着，好不容易将理论摸清一些了，真正实践的时候又遇到波折坎坷。他的想法是造一条专供帕金森患者使用的机械臂，在当时的香港，尽管没有这样的机械臂，可还是有不少供残疾人的机械手臂图纸出售。殷凡买了些图纸，让他傻眼的是图纸市场充斥很多假货，他第一次买就吃了大亏。万幸的是，设计出身的他对图纸本就敏感，后来也学会了如何防骗。
【关键词】机械设计；运动机构；自由度
0.引言
科学技术的发展和进步带动了其他很多行业蓬勃发展，在机械行业方面技术创新更是尤为重要的。如今机器人的创造和使用，使社会生活有了空前的变化，机器人技术在日常生活、工业生产、军事活动中的应用无不起到巨大的积极作用。在机械制造行业当中，模仿人的手臂功能而制造出的机械手臂也算是机器人系统中的不可或缺的一部分。可以在现达的技术力量支撑下，进行各种动作的操作，只需要给它们设定好固定的程序，机械手臂就可以进行自动搬运、抓取或者操作各种工具。机械手臂可以代替人力去做那些危险的或者繁重的劳动，从而使工业生产实现机械化和自动化。如今全世界的学者博士们在机械自由度理论知识方面投入了很多精力研究，构建了许多六自由度机械手运动学的模型，但机械手在现实中、在复杂的工作条件下还不能进行很精准的作业。比如排爆机械手，在现实排爆工作中对需要抓取的物体不能提前预知其精确的位置定位，所以在抓取物体时会出现操作速度缓慢、抓取不精准等问题。因此，探讨如何控制机械设计中运动机构的自由度以及控制各种类型的机械手运动轨迹等问题，是现代机械制造行业的重要课题，任重而道远。
1.机械设计中的运动机构自由度
1.1运动机构自由度概述
机构自由度是指根据机械学原理来确定机构在具体的运动时，必须为之提供独立运动参数的数目。即为了可以确定机械运动机构的精准位置，需要给定机械独立运动的一个广义的坐标数目。一般用英文f来表示这个给定的数目：如果一个构件组合体自由度f值是零，则表明它就是一个结构，同时说明它已经退化成为一个构件。当f值小于零时，那么它就是一个机构，而且表明了各个构件之间可以存在的相对运动；机械运动机构自由度还可以详细的划分为平面的和空间的两种自由度。
1.2平面机构自由度定义
平面机构自由度，就是在平面上，一个刚体的杆件可由任何一点a的坐标（a，b），以及通过a点的垂线ab与横坐标轴的夹角这三个个参数来决定，所以它的杆件拥有3个自由度。
1.3空间机构自由度定义
空间机构的自由度，即一个刚体杆件不受空间约束，不仅可以在三个正交方向上进行平行移动，而且也能在三个正交方向上以轴为中心进行转动，所以它的杆件就拥有6个自由度。由此可以得知，杆件在平面上拥有3个自由度，一个表现为面的旋转，另两个表现为前后、左右2个角度的移动；杆件在立体空间中拥有6个自由度，三个表现在前后、上下、左右三个角度的移动，另外三个则在前后、上下、左右三个面进行旋转。所以，就把沿着三个坐标轴移动，以及绕三个坐标轴转动，构建出的相对独立的运动参数的数目叫做机构自由度。
1.4平面机构自由度
1.4.1构件的自由度
构件自由度是构件在机械运动的过程中有可能会发生的一项独立运动，它是机构的基本要素之一。构件作为一个单元体，在平面机构运动的过程中属于组成机械设计中运动机构自由度的控制。所以说，任何一个构件在进行空间的自由运动的时候，其具体地表现为6个自由度：在直角坐标系内，沿着三个坐标轴进行移动，或者绕三个坐标轴进行转动；对于一个在平面上进行运动的构件来说，仅有3个自由度，即构件ab在xoy平面内，不但可以在任一点g处绕着z轴进行转动，而且还可以沿着x轴、y轴方向进行移动。
1.4.2平面机构的自由度
每个平面都会存在低副和高副。低副包括转动副和移动副，它们都是需要引入两个约束数，使构件同时失去两个自由度，但是只保留其中一个自由度；高副是指凸轮副和齿轮副，它们都需要引入一个约束数，但同时使构件失去一个自由度，然而保留下两个自由度。这样就很容易发现如下规律：在某个平面机构中，假如含有N个可动构件，即机架仅作为参考坐标，相对进行固定，未用运动副联接前，这些可以运动的构件自由度总数应当是3N；当各个构件用运动副连接后，运动副引入约束而减少构件自由度；如果机构中存在PL个低副PH个高副，那么所有运动副引入约束数可以表示为2PL加上PH。由此，计算自由度的公式就可以得出：可移动构件自由度的总数减去所引入约束的总数来计算平面机构。
2.对六自由度机械手运动控制的探讨
为了探讨如何控制运动机为构的自由度，为了深度寻找运动机构自由度的潜在规律以及对其控制的有效措施，下面主要对六自由度机械手复杂运动的控制进行探讨和分析。一般在实际应用过程中，若是六自由度机械手的某个或者某些关节发生故障，该关节在当前的角度就会被机械系统锁定住，这就直接影响了六自由度机械手的工作的进行情况，会导致六自由度机械手本来的作用不能得以正确发挥，继而就会有五自由度机械手，又称“欠自由度机械手”问题的出现。所以对于此类问题来说，尤其重要的就是有效的轨迹规划和运动控制，这样的话机械手才能发挥正常功能，完成预期工作。此类情况在现代航空航天制造领域中也同样适用，航天飞行器一般都装有六自由度机械手臂，如果某个飞行器上的六自由度机械手发生故障，某个关节功能失常，导致其成为欠自由度机械手，这一个小环节的故障舅很容易致使这整个机械手臂都无法正常进行工作，整个飞行任务将受到耽误。道理是一样的，在其它的方面这些现象也是如此。除此以外，欠自由度机械手在工作的空间环境中只能做到部分不完全定位，对于轨迹规划的中间位置没有相对应的逆解方式。机械设计师们一般在实际应用中经常采用向量代数线性变换法来进行处理。可用容错性能的机械手位置来进行逆解由关节故障形成的欠自由度机械手，这种算法十分实用。因此，容错性能的机械手位置逆解法在探究如何控制机械设计中运动机构自由度方面具有很高的研究价值。
3.结束语
机械制造业的发展方兴未艾，相关人员要高度重视机械设计方面。本文探讨了机械设计中，对运动机构自由度的控制需要注意哪些问题，可以为机器人的设计制造提供了一些借鉴和参考。文中还着重讲述了六自由度机械手在各种现实复杂运动中的自由度的控制方面，也希望可以对机械制造行业，关于机械在各种复杂运动中的运动和操作轨迹的设计技术上提供一些支持。将来越来越多的六自由度机器人会涌现并投入社会使用，它们在不同方式下的复杂运动控制值得深入研究，需不断优化和拓展其仿真易用性，将复杂控制简单化，努力实现更加理想的自由度控制方式。
【参考文献】
关键词：SimMechanics；机械臂；工作空间
1机械臂模型建立
在SimMechancis工具中选择Body模块代表腿部各杆，Revolute模块代表各关节，在Sinewave模块中设置方程向关节施加运动，并将足端的位置信息通过ToWorkSpace发送至工作空间。
以4自由度机械臂为例，设机械臂肩关节具有，左右回转及上下俯仰两个自由度，肘关节腕关节各具一个上下俯仰自由度，模型建立如图1。根据机械臂的大臂、小臂、手掌长度设为l1、l2、l3，各关节转动角度为θ1、θ2、θ3、θ4，具体参数如表1。
当机械臂伸直的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最远位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最远工作空间的边界；当机械臂卷曲至最短的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最近位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最近工作空间的边界。
当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持0°不变，所得到的位置信息代表机械臂最远工作位置的曲面信息。当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持-2/π不变，所得到的位置信息代表机械臂最近工作位置的曲面信息。
2数据处理
利用Matlab中的函数对收集的位置信息进行拟合，分别调用surf（）函数绘制机械臂末端最远位置曲面及最近位置曲面，该双曲面中间所夹区域为所求机械臂的工作空间。Matlab机械臂的工作空间求解结果如图2所示。
3结束语
作者以4自由度机械臂为例，利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱，模拟手臂的杆件，方正方式可靠，收集机械臂的末端信息数据合理。利用绘图函数进一步绘制出机械臂的工作区域，所得工作空间轮廓清晰、完整。此方式求解过程避免了冗杂的计算，结果直观。并可从关节机器人，进一步推广到移动关节机器人工作空间的求解。
参考文献
[1]陈培善.基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J].机械科学与技术，2009，28（12）：1657-1659.
[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Sim-ulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.
关键词：PLC；机械手；步进电机；组态控制
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.24.043
1引言
机器人是在机械化、自动化发展浪潮中涌现出来的一种新型装置，它的出现大大解放了生产工人的劳动，提高了劳动生产率。机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一，对于国民经济和国防建设具有重要意义。我国在863计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视[1]。
随着工业4.0和我国的“中国制造2025”战略的部署，我国大力发展制造业，而我国的制造业正处在上升期，随着市场竞争的激烈、劳动力成本的逐年上升以及用户对个性化、定制化的需求越来越迫切，老龄化社会的形成，一线工人减少的趋势不可逆转，我国制造业迫切需要升级改造，来提高经济效益，因此，对机器人产业具有迫切的需求。
2系统的控制要求
要求机械手在4个工位之间依次搬运工件，控制程序具有“复位”“启动”“停止”“急停”功能。
机械手在运动过程中，按“停止”按钮，五自由度机械手完成当前动作后停止运行，按“启动”按钮，五自由度机械手继续下一步动作。
在五自由度机械手运动时，按下“急停”开关，五自由度机械手立即停止移动及转向，此时如需再次运行机械手，需亲手将本次搬运途中掉下的工件拿到1号物料台，再按“复位”按钮“复位”完成后，按启动可重新运行。
系统采用两台S7-200PLC，一台作为从站对机械手进行控制，另一个台作为主站监控机器人的运行状态。触摸屏与主站PLC连接，实现对主站PLC和从站PLC的实时监控，并控制PLC按上述流程完成搬运任务。
利用触摸屏，可以对系统进行“复位”、“启动”、“停止”“急停”等操作，并可以在触摸屏上实时显示当前五自由度机器人的运行状态。
3硬件设计
系统输入需要有四个按钮分别控制系统的“复位（SB1）”“启动（SB2）”“停止（SB3）”“急停（SB4）”功能；还需有四个传感器分别作为“原点”“右限位”“底座旋转限位”的限位与控制。
机械手有五个自由度，分别是基座水平移动、基座旋转、大臂抬放、小臂抬放、手爪夹紧和放松。基座的水平移动和旋转由步进电机来控制，步进电机分别由PLC的两个高速脉冲输出点Q0.0和Q0.1控制其速度；大臂和小臂由直流电机控制。手爪由舵机控制。
PLC控制结构图如图2：
为节约成本，该系统只有水平移动和底座旋转采用步进电机驱动，S7-200PLC只有两个高速脉冲输出点，其他三个自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪电机通过PLC的普通输出点进行控制。
4PLC的软件设计
PLC软件采用模块化程序设计，由主程序模块和6个子程序模块组成，子程序包括水平移动、水平停止、旋转移动、旋转停止、水平复位、水平减速。程序结构图如图3：
5系统的网络结构与组态
西门子S7-200系列PLC支持多种通信协议，协议定义了主站与从站两类通信设备，主站可以对网络上另一台（或多台）设备从站发出命令，从站则响应来自主站的命令。主、从站间的专用通信协议有PPI协议、MPI协议、PROFIBUS协议和自由口协议。在实际应用中，S7-200经常采用PPI协议进行通信。S7-200通过PPI通信可以发挥其强大的通信功能，实现PLC与PLC、PLC与PC、PLC与其他智能设备之间的信息交换，组成集中管理的多级分布式PLC网络控制系统[2]。
该系统的网络结构如图4所示，采用两台PLC，一台作为从站用于控制机器人的动作，另一台作为主站对从站的状态进行监控，用计算机在S7-200CPU处于STOP模式时对PLC进行编程，并对触摸屏进行组态。
组态技术的发展与应用极大地提高了工业控制系统的自动化水平。目前，基于组态技术，以PLC为核心的计算机测控系统一般是利用单台PLC或PLC-PLC网络完成信号的前沿采集、检测与控制功能，PC机和组态软件只用于系统的监控与历史数据管理。该系统采用MCGS软件进行组态，组态流程如图5所示。
6结术语
基于MCGS组态监控的机械手主从网络控制系统在山东英才学院PLC实验室调试通过并实际运行。该系统成本低廉，运行稳定，采用MCGS进行系统开发，方便、快捷，可以在工程应用中推广使用。
参考文献：
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“Armategroup”可以理解为是一个基于uArm机械手臂开源系统的自愿者团体，Pierson希望通过网络找到一批兴趣爱好者。他的想法是在uArm机械手臂的开源系统上进行编程，组建一套类似Kuka和Fanuc标准的工业机械手臂，验证一些可以运用到工厂生产中的想法，但是成本只有工业化机械手臂的1/10，“在这个市场上，只有uArm的结构设计和软件是全面开源。”Pierson解释道。
人口红利的消失和工业4.0的快速推进，正在倒逼越来越多的产业加入到智能化大军，一个趋势是，越来越多可以被编程和联网的机器将会出现在工厂岗位上。
不过，对于uArm创始人邓世韬来说，虽然uArm的灵感来自ABBPalletPack工业机器人，但他认为uArm定位仍然是消费级的工业机器人。不同于特斯拉车间里举着汽车外架的工业机械臂，消费级机械手臂尺寸大约仅有书本大小，“uArm就是一款可以出现在办公桌上的迷你工业机器人，如果你有足够的编程能力，你的机械手臂可以执行各种动作，比如打击乐器、整理桌面、移动杂物，当硬件精确度缩写到毫米级别后，可以应用的场景包括写字和绘画。”邓世韬说。
2014年1月，uArm出现在众筹平台Kickstarter上。邓世韬原本计划在半个月内筹集5000美元，这需要卖出20套单价250美元的产品。当时上线的uArm只是一个相对粗糙的产品原型，只有亚克力材质的手臂和底部转盘，和一套基于开源硬件开发平台Arduino的开发板―它用于控制整个操作。
没想到筹到5000美元的目标在上线第一天就完成了。之后的87小时内，uArm总共得到了超过25万美元的筹资，得到了1200多个Backer的支持，其中不乏物流巨头PCH的CTO、GoogleX工程师、Makerbot联合创始人等资深硬件玩家的支持。>>uArm创始人邓世韬（右）和乐恒想把小众的创客类产品变得更商业化。
从结构上来看，uArm有着更好的工业化设计和操控感，它的伺服器动力装置在底部转盘中，减少了机械臂部分的重量，从而减少惯性动作对稳定性的影响，也能增加机械臂的负载能力以提高效率。
长期以来，消费级机械手臂的使用局限在极客小圈子中，因为需要一定程度的编程能力，机械手臂这类硬件贴上的标签往往是“冷门”和“CoolStuff”。
邓世韬认为uArm更为灵活的一个要素，正是团队对uArm自带软件库的优化，用户可以使用更为智能的工具控制机械手臂，比如手机和键盘，“不需要太懂编程的人现在都可以使用uArm，在库里输入坐标之后，机械手臂便可移动到对应的位置。”邓世韬介绍说。
当门槛降低到更多普通用户参与之后，像Pierson这样拥有奇异想法的爱好者开始大量出现，这种微型开源机器人正成为一批硬件探索者的天堂。在Ufactory的社区分享活动上，分布于全球各地的爱好者展示了他们丰富的想象力，在视频中一位美国大学生正在操控机械手臂取水杯，另一位来自越南的咖啡店老板让uArm自动挑选出不同颜色的咖啡胶囊，然后放到不同的篮子里，就连斯坦福大学的机械实验室也开始采购uArm的机械手臂应用于实验操作。
到了2014年9月，uArm团队获得了创新工厂的天使投资，但没有透露具体的融资金额。
创业之前，毕业于中山大学电子信息专业的邓世韬和uArm现在的CTO乐恒，一同进了一家名叫Makeblock的初创公司做实习生。这家公司生产外形酷似乐高玩具的金属机器人套件，用户将这些套件拼装成一个机器人，然后自己编程，让它动起来。这种定位在教育类的创客玩具，让Makeblock每月在众筹网站Kickstarter上有数千美元销售额。
在这一段实习期结束之后，两名稚气未脱的青涩少年开始了第一次创业，他们最初的计划跟机械手臂毫无关系，只是利用深圳的供应链优势，为国外的智能硬件产品提供电子和机械零配件，比如3D打印机，这个平台提供优化过结构的滑轨、螺丝、电机、皮带轮。“它最后变成了一个超乎想象的大平台，仅仅是3D打印机的零配件拆分开后，就需要沟通几十家供应商，”邓世韬回忆说，“但问题在于，我们当时只有4个人。”
这次创业不到半年便结束。不过在Makeblock的工作经历，让邓世韬对硬件有了一些想法，他看到国外的创客网站SixStudio和Sparkfun一年的销售额差不多可以达到1亿美元，但是大多销售以Arduino电子模块为主的产品，缺乏机械输出的硬件产品。
uArm的两位创始人很快意识到，他们要开发一款结合电子模块和机械组件的硬件产品，最好能够切入家庭应用场景，在考虑了一系列热门的智能硬件产品后，机械手臂成为最终选择。
做出这个决定的一部分原因是，邓世韬认为机械手臂是最为接近“机器人”形象的产品。从2012年开始的硬件复兴潮流中，机器人概念产品是一支强大的支流，最初uArm团队看准的是教育类机器人市场，当人们提到机器人，毫无疑问脑海中浮现的大多数都是这样的工业化机器人，对于uArm来说，商业故事就是将这些工业机械手臂缩小，变成个人用户的桌面玩具。
第二次创业之前，邓世韬说并不太清楚机械手臂的市场有多大，他们对于产品构想的第一步，思考的却是怎样将极为小众的创客类产品变得更商业化。“没有人不想切入消费品市场，在深圳，大家都想成为下一个大疆。”uArmCTO乐恒说。
就像最初大疆开发了一体机将用户门槛拉低到小白用户，从而进入到更大的大众消费商业市场。uArm一开始就决定将设计图和软件开源化，开源电子原型平台Arduino已经拥有百万级的用户数量。邓世韬认为即便开发的是小众产品机械手臂，如果建立在Arduino平台上，这会让产品快速吸引一些极客用户。
另一个问题是，对于创业团队来说，硬件产品在生产端需要大量的资金。邓世韬决定效仿前东家Makeblock的道路，在国外硬件众筹平台Kickstarter上预售。启动项目之前，他们对比了在Kickstarter出现过的机械手臂项目，在2014年期间，Kickstarter上的机械手臂项目很少来自深圳本地团队，这些项目几乎都没有完成预定的筹资金额便宣告失败。
国外硬件产品在供应链上的反应速度慢，是这类产品无法工业化的一个阻力，比如PCB原型模具往往需要一周多的时间，跨越美国几个州调货，甚至得从中国采购。在过去两年，1.8万多个创客项目在众筹网站Kickstarter上成功募资2.74亿美元，而80%的项目最后要在深圳的工厂里实现。
和uArm同类结构的机械手臂产品，当时在Kickstarter上处于真空状态。这给了邓世韬一个信心，uArm团队所在的深圳有着在硬件产业中无可比拟的供应链优势，这个城市拥有较为完整的产业配套能力，集中了大量高度分工、相互交融的零配件。
最早的时候，uArm将用户定位在拥有编程基础的创客们，uArm在软件库上并没有过多优化，只添加了几个简单的坐标指令，当用户需要机械手臂往前伸多少、往左拐多少，按某些键盘就可以前进或是后退。
随后的故事开始发展出一个预想之外的结果，这套最低定价185美元的uArm上线后仅仅两个小时就完成了预定金额5000美元。让邓世韬感到意外的是，按照uArm团队最初的设想用户大都应该是创客，但是事实上项目背后的1200多名支持者分布在各行各业。
国外用户接受编程的教育程度远远超过uArm团队最初对用户的判断，他们发现在幼儿园阶段，六七岁的小孩已经会使用图形化编程。“硬件开发者主要是国外用户，他们要做一些机械成品不容易，很难找到加工的地方，但是一旦有一个平台提供给他们，他自己就可以有很大发挥空间。”
uArm在Kickstarter上的畅销，或许代表了一种新出现的微型开源机器人平台。完成了20倍的募资额，这本身是一件好事，但同时又让团队陷入新的焦虑，深圳工厂的供应链实际上只能处理大约300套的产量，不过这个数字在未来两个月增长到1200套，这让团队几乎处于半封闭的开发状态。
结束了Kickstarter的募资项目后，整个团队从深圳龙华搬到了沙井电子城，这是深圳关外最大的专业电子市场。2014年的整个夏天，乐恒基本上都待在沙井电子城，他每天随身带着一个小拖车，经过一家店铺，便会停在门口先收集一张名片，回家之后他再一个个打电话去询问估价，一颗螺丝的供应商一般都在5至10家，而一套uArm机械手臂通常需要160个左右的零部件。
对于这支年轻的团队来说，邓世韬和乐恒一直以来只负责软硬件的开发设计，他们缺乏生产相关的经验，第一批1200套的uArm机械手臂在生产过程中，一下子让他们跳进了不少的“创业坑”，比如主结构的亚克力材质在量产超过1000套之后，因为材质切割的误差，会出现一块板两边厚薄不均的情况，除了带来较高的不良率，激光切割每一块亚克力板需要耗时半小时，这意味着生产线上的机器不休息切两个月才能完成1200多套的生产量。
这种忙碌的状态一直持续到发货的前一刻，在uArm位于沙田的公寓里堆满了板子和元器件，仅留了一个过道通往卧室。这些元器件和板子随后被组装成机械手臂，被层层泡沫裹装严实，仅有4人的团队连夜打包了1200套产品，隔天飞往美国参加MakerFair的邓世韬还要在途中完善配套软件。
事实上，直到Kickstarter项目结束后，uArm团队也不太清楚这个产品的市场在哪里。
缺乏资金仍然是uArm团队面临的困境，他们在Kickstarter上筹到25万美元后，一大波国内的投资人带着问题找过邓世韬，“但是大部分投资人不太理解这个东西为什么能筹到那么多钱，不是一些消费类产品，而是这么一个而原始形态的产品。”
直到2014年5月，创新工场的投资经理汪华去了一趟沙井，因为缺乏资金维系，当时的uArm团队正面临波动，最初的4人团队已经离开了2人。汪华此前曾在日本留学，服务型机器人在日本已经有一个相对成熟的产业链，不过商业化也仍然模糊。
在得到创新工场的投资后，uArm将团队扩招到了20人左右。为了解决亚克力材质在生产线上的高不良率，最新版本的uArm将材质替换成铝合金手臂，在手臂关节处加上了圆形轴承保护。
不过他们仍然需要解决供应链的产能不足问题，uArm在深圳的工厂每批次的最高产能是500套，目前无法大规模生产。uArm现在仅在极客网站Sparkfun、Sixstudios和一些技术博客上开通了零售渠道。
邓世韬认为uArm现在更像一个平台，除了手机和键盘操控，uArm手臂在功能上也正在和体感设备Leapmotion合作，用户可以通过手势操作机械臂，比如操控吸盘吸附手机，或是用机械手抓苹果、整袋薯片和棋子等物品。在程序后台，用户也可以对Leapmotion所开放的接口编程，把uArm变成个人定制化机械臂。
对于uArm来说，怎样获取更多的消费者用户是最为关键的问题。这支团队正在软件库中做一些图形化编程，这意味着不需要用户自己编程，只要点击一个功能图像，机械手臂就可以做出相同的动作。
关键词：机械手；plc；液压伺服定位；电液系统
目录
第1章前言.............................................................1
1.1选题背景.1
1.2设计目的.1
1.3发展现状和趋势.1
第2章机械手各部件的设计.3
2.1机械手的总体设计.3
2.1.1机械手总体结构的类型.3
2.1.2具体设计方案.4
2.2机械手手爪结构的设计.4
2.2.1设计要求.4
2.2.2驱动方式.5
2.2.3典型结构.5
2.2.4具体设计方案.6
2.3机械手手腕结构的设计.7
2.3.1手腕结构的设计要求.7
2.3.2具体设计方案.7
2.4机械手手臂构的设计.8
2.4.1手臂结构的设计要求.8
2.4.2具体设计方案.8
2.5机械手腰座结构的设计.9
2.5.1腰座结构的设计要求.9
2.5.2具体设计方案.9
2.6机械手的机械传动机构的设计.10
2.6.1传动机构设计应注意的问题.10
2.6.2常用的传动机构形式.10
2.6.3具体设计方案.11
2.7机械手驱动系统的设计.12
2.7.1常用驱动系统及其特点.12
2.7.2具体设计方案.12
2.8机械手手臂的平衡机构设计.12
2.8.1平衡机构的形式.12
2.8.2具体设计方案.13
第3章理论分析和设计计算.14
3.1电机选型有关参数计算.14
3.1.1有关参数的计算.14
3.1.2电机型号的选择.16
3.2液压传动系统设计计算.18
3.2.1确定液压系统基本方案.18
3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路.19
3.2.3液压源系统的设计.19
3.2.4绘制液压系统图.20
3.2.5确定液压系统的主要参数.21
3.2.6计算和选择液压元件.26
第4章机械手控制系统的设计.28
4.1系统硬件设计.28
4.1.1操作面板布置.28
4.1.2工艺过程与控制要求.28
4.1.3作业流程.29
4.1.4控制器的选型.30
4.1.5控制系统原理分析.31
4.1.6plc外部接线设计.31
4.1.7i/o地址分配.32
4.2系统软件设计.33
4.2.1控制主程序流程图.33
4.2.2控制程序设计.34
结论.51
致谢................................................................52
参考文献..........................................................53
第一章前言
1.1选题背景
由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。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共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但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直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。
1.2设计目的
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。
1.3发展现状和趋势
目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
一．机械结构向模块化、可重构化发展。
二．工业机械手控制系统向基于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，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。
三．机械手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，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。
四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；
五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。
第二章机械手各部件的设计
2.1机械手的总体设计
2.1.1机械手总体结构的类型
工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
1.直角坐标机械手结构特点
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2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。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特点
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2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。
3.球坐标机械手结构特点
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2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。
4.关节型机械手结构特点
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。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。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。
2.1.2具体采用方案
如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。
2.2机械手手爪结构设计
2.2.1设计要求
手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。
机械手手爪设计有如下要求：
1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。
2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。
3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。
4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。
2.2.2驱动方式
一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：
1.气动驱动方式
这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
2.电动驱动方式
电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。
3.液压驱动方式
液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。
2.2.3典型结构
机械手手爪的典型结构有以下五种：
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，适应抓取大小不同的物体。
3.连杆杠杆式手爪
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，这种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
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
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，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。
2.2.4具体设计方案
结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，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定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：
2.3机械手手腕结构的设计
机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。
2.3.1手腕结构的设计要求
1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。
2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。
3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。
4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。
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。
2.3.2具体设计方案
通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。
2.4机械手手臂结构的设计
2.4.1手臂结构的设计要求
机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：
1、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，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。
2、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，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。
3、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。
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。
5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。
2.4.2具体设计方案
由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30kg），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。
由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。
2.5机械手腰座结构的设计
2.5.1腰座结构的设计要求
机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：
1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。
2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。
3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
2.5.2具体设计方案
腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：
2.6机械手的机械传动机构设计
2.6.1传动机构设计应注意的问题
由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：
1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。
2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。
3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。
4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。
5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。
2.6.2常用的传动机构形式
常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。
1.螺旋传动
它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。
2.齿轮传动
在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。
3.链传动
在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。
4.同步带传动
同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。
2.6.3具体设计方案
因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.7机械手驱动系统设计
2.7.1常用驱动系统及其特点
工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。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
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、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。
2.气动驱动系统
具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。
3.电动驱动系统
具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
2.7.2具体设计方案
在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。
2.8机械手手臂的平衡机构设计
直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
2.8.1平衡机构的形式
1.配重平衡机构
这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。
2.弹簧平衡机构
弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。
3.活塞推杆平衡机构
活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。
2.8.2具体设计方案
因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。
第3章理论分析和设计计算
3.1电机选型有关参数计算
3.1.1有关参数的计算
1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有
具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。
因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；
3.1.2电机型号的选择
根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：
110byg550b-sakrma-0301或110byg550b-sakrmt-0301或110byg550b-bakrmt-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。
其中110byg550b-sakrma-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示
驱动方式为升频升压，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。
3.2液压传动系统设计计算
3.2.1确定液压系统基本方案
液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：
因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。
3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路
液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。
本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。
3.2.3液压源系统的设计
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。
油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。
本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀v1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。
3.2.4绘制液压系统图
本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），
它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。
其中，泵由三相交流异步电动机m拖动；系统压力由溢流阀v1调定；1dt的得失电决定了动力源的投入与摘除。
考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5dt得电时，工作液体经由节流阀v5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6dt失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。
另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用v2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。
3.2.5确定液压系统的主要参数
液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
1.计算液压缸的总机械载荷
3.液压缸主要参数的确定
考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；
因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。
因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。
因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。
4.液压缸强度的较核
（1）活塞杆直径的较核
3.2.6计算和选择液压元件
1.控制元件的选择
根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。
2.液压泵的计算
第4章机械手控制系统的设计
4.1硬件设计
4.1.1操作面板布置
操作面板布置如图4-2所示：
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。
1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。
2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。
4.1.2工艺过程与控制要求
机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。
其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。
实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。
当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。
4.1.3作业流程
机械手工作流程如图4-1所示：
从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；当工件装入到位后，卡盘收紧；机械手松开手爪，准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；机床进行加工。
当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，plc马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开；机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；plc输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，plc停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。
机械手的每次循环都从原点位置开始动作。
4.1.4控制器的选型
机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---plc，故选择在国内应用较多的西门子s7-200型plc。具体型号为simatics7-200cpu224。如图4－3所示：
该plc集成14，输入/10，输出共24个数字量i/o点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点，具有16k字节程序和数据存储空间。6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。1个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
4.1.5控制系统原理分析
由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。
为了减少plc的i/o点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过pid调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。plc将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：
这种方案使得plc控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。
4.1.6plc外部接线设计
为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子simatics7-200（cpu224）plc，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块em232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，plc的模拟量采用-10v~+10v输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。
plc的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）
4.1.7i/o地址分配
详细参见表4-1、4-2：
4.2软件设计
4.2.1控制主程序流程图
机械手控制主程序流程图如图4-6所示：
结论
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。
机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。plc有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对i/o点的接线稍作修改，或对i/o重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。
综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。
致谢
经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。
此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！
此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！
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关键词：应用型本科；创新能力；机械制造基础；教学改革
1Solidworks软件简介
SolidWorks是法国达索公司最先在Windows系统上开发的一款三维设计软件。其CAD功能方面涵盖了所有的设计类型，实体建模、曲面设计、二维工程图、装配、运动仿真、结构分析等功能一应俱全。创新的自顶向下设计过程使得设计工作一目了然，实时的更新功能使得工程师可以随时对产品特征参数进行动态修改。除此之外，SolidWorks还为不同的设计人群提供不同的功能模块，包括钣金、管道布线、电气设计等，使得设计过程简洁而丰富。
2码垛机器人的发展
国外，最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。1968年，日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于物品的取放和物料的搬运。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、意大利、德国、美国、瑞典、韩国等国家在码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。工业机器人技术的飞速发展，使得码垛机器人在各个行业都得到了广泛的应用。
3码垛机器人的工作对象
本文设计的码垛机器人的工作对象及其参数如下：
（1）码垛物品：箱类物品（如一箱纸巾）和袋类物品（如一袋洗衣粉）等。
（2）物品尺寸：长为200至500mm，宽为200至400mm，高为100至300mm。
（3）物品质量：每件物品为5至15kg。
（4）物品运动范围：以机器人为中心的，半径为3m，角度为90至180度。
4码垛机器人结构设计
本文设计的码垛机器人为关节型机器人，这类机器人占地面积小、机构紧凑，工作空间大，还能穿过障碍物进行抓取，是机器人中使用最多的一种结构型式。码垛机器人的本体（即机械手）包括基座、腰部、大臂、小臂、末端执行器（俗称爪子），它的运动主要由码垛机械手手臂的俯仰运动和腰部的旋转运动组成。
4.1手爪的结构设计
机械手臂末端抓取器大致可分为：夹钳式、专用操作式、吸附式、仿生多指式四类。由于工作对象为箱式或袋式物品，只需要设计能从不同角度抓取物品的夹钳式即可。其结构如图1所示，可以抓取不同大小多个种类的箱式或袋式货物。
4.2臂部的结构设计
手臂部件（简称臂部）是机器人的重要执行部件，它的作用是支承腕部（关节）和手部（包括工件和工具），并带动它们在空间运动，臂部还安装一些传动驱动机构，从臂部的受力情况来看，它在工作中直接承受腕，手和工件的静动载荷，自身运动又较多，所以受力情况复杂。
臂部主要是进行俯仰运动，这里采用铰接活塞缸实现臂部的俯仰运动。该机构的特点是，工作范围大、灵活性好。
4.2.1大臂的结构设计
大臂是臂部的组成部分，它两端分别与小臂和立柱相连，它都是通过铰链连接。大臂的运动是通过与立柱相连的铰链活塞缸来进行运动传递的，它的运动轨迹就是一个圆弧形，通过活塞缸来进行俯仰运动，运动单一，结构简单。它较之小臂粗大，因为它是码垛机器人主要的受力部分之一。其三维结构如图2所示。
4.2.2小臂的结构设计
小臂两端是与大臂和末端执行器连接，这里采用铰链连接，大臂与小臂之间的运动传递，采用铰接活塞缸来实现，其结构简单，运动性能好。小臂比之大臂在设计时材料消耗要比大臂少，体积也小，重量轻。其三维结构如图3.5所示。
4.3立柱（腰部）的结构设计
立柱主要是支撑大臂小臂的重量，连接大臂和底座，并且固定了活塞缸的运动范围。结合要求与设计过程，腰部的结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。其三维结构如图4所示。
4.4活塞缸的设计
本次设计，我采用最多的动力传动方式就是活塞缸，因为它工作形式单一，只能进行伸缩运动，且结构简单，由缸体和活塞缸组成，并且它在机器人的设计中运用很广泛。其三维结构如图5所示。
4.5底座的结构设计
底座是承受码垛机器人整体重量的主要部件，且由于码垛机器人的手臂长，导致机器人整体重心并不在底座中线上，所以底座较为宽大。其三维结构如图6所示。基于底座在本次设计中的作用，选取底座的材料为铸铁，且设计底座尺寸为：长×宽×高=280mm×120mm×20mm。
5结论
码垛机械手的总体结构如图7所示，其运动是由腰部的旋转、手臂的俯仰、末端执行器的夹紧和放松组成。码垛机器人工作的全部流程：第一步，大臂处的活塞杆运动，带动小臂进行下伏运动，从而末端执行器接近物品，并通过夹紧缸将物品抓取；第二步，大臂进行上仰运动，带动物品上升；第三步，腰部回转缸进行回转运动，将物品移到堆放指定区域上空；第四步，大臂又下伏，将物品放在堆放台上，并且夹紧缸放松物品，最后大臂上仰，腰部旋转回到原位。
参考文献：
安全机械臂是一个伸缩式的安全更换灯泡的机械装置，主要功能是伸缩以及旋转。更换灯泡时，伸缩和旋转同时进行，就能具有安装或者拆除灯泡的功能；再配以不同型号的机械手臂，以及更换方向的可调整性，以及相应的照明设备，最终达到安全实用的更换灯泡的效果。
更换灯泡非常麻烦，并有几大安全隐患：第一是触电，在更换灯泡时，开关没有关闭就容易发生触电情况；第二是高度，通常电灯都安装在天花板上，更换灯泡就需要踩乘物体来缩短距离，这就容易出现摔伤等情况；第三，如果在夜晚灯泡达到使用寿命了，还会出现视线受阻等问题。
创意小组提出了自己的解决方案—安全机械臂。创意小组设想安全机械臂应该能完成以下的任务：
1.可以伸缩，缩短手与天花板之间的距离而且方便放置；
2.机械臂可以双方向旋转，方便安装和拆卸灯泡；
3.设计多种机械爪，可以适应不同种类的灯泡。
在制作安全机械臂过程中，创意小组也遇到了很多问题，经过不懈努力，这些问题被一一解决，使得安全机械臂最终达到了设计目标。
首先，为了使安全机械臂能够达到缩短天花板距离以及方便放置的效果，创意小组设计了伸缩装置。关于伸缩装置，做了很多不同的实验，但是最后使用方梁搭建一个长盒子，内部使用齿条来伸缩，这种方法的特点就是稳。但是之后，问题就来了，创意小组使用马达无法直接让一定重量的手臂升起或者放下，随后，使用了螺旋齿轮带动小齿轮的1：8的传动，这样能够节省一大部分力，最后达到伸缩的效果。创意小组还使用了离合齿轮来解决由于摩擦力过大而把马达别坏的情况。
在设计完整个设备之后，创意小组又发现了一个问题，那就是整个机械比较重，为使携带方便，创意小组设计了把手，以便于携带。研制成功以后，创意小组反复对运行程序进行了调试，保证其运行的准确性。机器人有以下几个技术特点：
1.通过齿条和齿轮之间的捏合，达到伸缩的效果。可以减少人与天花板之间的距离；
2.使用螺旋齿轮带动8齿齿轮、涡轮涡杆的方法产生较大的力，用于提升装置；
3.利用触感分部并列遥控，可以达到升降与旋转同时进行的效果，完成灯泡的装卸；
4.使用离合齿轮，防止因摩擦力过大导致的马达别坏情况；
5.制作了相应的组合套件，通过更换机械爪的方法实现安装各种不同种类不同型号的灯泡；
6.使用了灯泡的照明系统，方便晚上更换；
【关键词】机械化；隧道施工；应用
0.引言
石林隧道施工机械设备本着“技术先进，性能可靠，满足需求，略有富余”的原则进行配备，施工中不断进行机械化、半机械化工艺革新，开发出了一系列适应现场实际的施工机具，有效减轻了劳动强度，提高了工效，实现了石林隧道施工快速提供了保障。
1.设备配套方案
隧道施工中，开挖、运输、支护三条主要作业线的设备选型和配套是确保能否快速施工的关键。按照开挖是龙头、出碴运输是关键、支护保安全的原则去选定设备：一要从设备功能及适应性考虑；二要从数量上满足要求；三要从匹配配套上考虑。
石林隧道开挖采用多功能作业平台配合风钻，初支钢拱架安装采用辅助设备，初支喷射混凝土采用机械手湿喷技术、仰拱施工采用整体自移式弧形模架，仰拱钢筋预弯采用自制钢筋预弯平台，防水板铺挂采用机械辅助设备，水沟电缆槽施工采用整体移动模架等机械化配套技术。整体形成了开挖、支护及二衬等机械化平行流水作业线，实现了石林隧道施工的快速、连续、均衡生产。
2.钢拱架机械辅助安装
利用多功能作业平台上安装的起吊设备，或利用装载机等其它设备将已经拼装好的拱架起吊放置在起升台架上，再通过起升台架纵向平移到拱架要安装的里程部位，然后起升调整拱架高度、角度进行定位安装，定位完成后进行连接钢筋焊接，拱架固定牢固后，再进行下一榀拱架安装。最后统一打设锁脚锚杆。
2.1工艺流程
2.2操作要点
①多功能台架就位时尽可能保证位于隧道中线处，便于施工。
②拱架拼装时注意拱顶位置尽可能接近提升吊下部，方便提升。
③提升拱架时要缓慢均匀，拱脚处要有人辅助抬升，并调整拱架方向。
④确保拱架固定牢固后方可退出起升台座，确保安全。
⑤施工完成后注意保护液压起升台架，防止液压部件损坏。
3.机械手湿喷混凝土施工技术
3.1工艺流程
3.2操作要点
机械手湿喷混凝土作业时，喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等对喷射混凝土质量、回弹都有很大影响。
①喷射顺序。喷射应先墙后拱，从下至上、以S曲线移动进行喷射。隧道从两侧边墙底部开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合，完成一环喷射混凝土的一次喷射。
②喷射角度。喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低喷射密实度；垂直于岩面喷射时，连续的混凝土“稀薄流”对反弹物有二次嵌入作用，可以降低回弹率，增加一次喷射厚度。
③喷射距离。由于湿喷要求的风压较大，如果喷头距受喷面太近，高压风会将刚“附着”在受喷面上的混凝土吹掉，使混凝土的回弹量增大。CSS3喷射机械手湿喷作业时，喷头距岩面的距离宜为0.8～1.2m。
④喷头移动。喷射混凝土回弹在刚喷射时最大，当岩面喷厚达到2～3cm后，回弹最小，且稳定，当喷射到附着在岩面的混凝土滑落、流淌时，一次喷厚达到最大，此时不能再继续喷射，应等喷射混凝土初凝后方能进行复喷。
⑤堵管处理：喷射施工中极少发生堵管，若发生时应立即关闭机械手及计量泵，关掉输送风，拍打软管，并倒掉管内存留混凝土，堵管处理完成后应先加水喷射洗管，确保管路畅通无误后才能进行再次喷射施工。
⑥风压、风量调整：风压调整应根据工作面距离，合理选用CSS3机械手的输送管直径，确保得到合适的混凝土出口速度，实际施工中应根据混凝土和易性、风压稳定性影响进行调整，以保证喷射混凝土在喷射口形成连续喷射、无流淌、并使得喷射混凝土能以合适速度垂直射向受喷面。
⑦外加剂计量系统：CSS3混凝土喷射机械手外加剂计量系统：能够精确测量并自动调节外加剂添加量，在泵送参数发生变化时保持外加剂添加比率恒定，按照机械手喷射混凝土配合比要求，根据每立方混凝土中胶凝材料（水泥、粉煤灰）用量按3～5%设置速凝剂添加量。
4.隧道仰拱整体自移式弧形模架
目前，隧道仰拱施工中，没有定型的仰拱弧形背模，导致仰拱混凝土振捣不密实、仰拱混凝土线形不符合设计要求，造成仰拱混凝土质量达不到设计要求。通过对仰拱结构设计尺寸、设计意图的分析了解，我们对仰拱模板提出一种新思路――组合弧形钢模板和。
4.1设计结构
自移式仰拱弧形模架内模主要由主梁、加固筋、配重槽、轮子、加固栓、电动机、内模、起重滑轮、钢边止水带固定槽、钢边止水带固定条构成。
弧形模架长度9m，弧形钢模板面板采用5mm厚钢板，面板主框架采用8#槽钢，面板加肋筋采用5cm角钢配合使用加工而成。整体模架主梁分行走部分、悬臂部分、连接行走与悬臂的竖撑三部分，加工时分别采用I20、I14和I18型钢钢架各两根背焊，行走部分长度6m，悬臂部分长度7.5m。行走部分与竖撑、悬臂部分与竖撑之间分别采用Φ22、Φ25钢筋作为连接拉杆。悬臂部分安设4个起重滑轮（两处），起重滑轮的起重量不小于1吨。
行走轮子由铸铁制作，直径为22cm，宽为12cm；加固栓采用22Φ以上的钢筋焊接在内模上，利用马蹄扣和打入岩体的固定钢筋连为一体；电动机位置如图，采用磁轮装置和行走轮子连为一体，建议功率为7.5千瓦；起重滑轮的起重量不小于1吨，共有4个；为保证整体结构平衡稳固，行走部分充分考虑配重槽，方便配重使用。
4.2结构加工
4.3投入使用
5.仰拱钢筋预弯
自制钢筋预弯平台加工过程中，特别要注意仰拱弧形钢筋的加工。边墙处钢筋加工采用自制弯筋机。首先按照设计图纸对钢筋进行下料，确定下料长度及预弯半径后，考虑人工现场弯制时钢筋存在一定回弹量，确保其线型要与现场放样线型一致。现场技术员跟班作业，检查弧长及半径是否与设计一致。经检验合格后进行钢筋安装。
（1）仰拱钢筋采用电弧焊连接时，在钢筋焊接接长之后，再将接长的钢筋放在特制的钢筋预弯工作平台上，严格控制弯曲半径，在同一水平面上均匀的预弯成钢筋半成品。
（2）仰拱钢筋采用搭接连接时，先将需要搭接的两根钢筋的搭接段用铁丝固定好，再将搭接好的钢筋放在专用的钢筋预弯平台上，控制好弯曲半径，在同一水平面上均匀预弯成钢筋半成品，预弯完成后将固定的铁丝拆除，并将预弯好的钢筋分类存放好，并做好标识。
6.防水板机械辅助铺挂设备
6.1施工方法
防水板辅助铺设机械由作业台架、减速电机、二级伸缩机械臂、限位器、横杆、控制器组成。铺设防水板时，首先将一卷防水板挂在横杆上，然后操作控制器，使机械臂自隧道左边墙起绕电机轴心转动，防水板卷筒贴近隧道内壁滚动。当伸缩臂前端的限位器触碰隧道洞壁时，限位传感器发出信号使机械臂自动缩回。作业人员随机械臂转动及时固定防水板。
6.2操作要点
⑴防水板铺设从一侧边墙下部向拱部、再从拱部向另一侧边墙铺设（图10）。铺设开始，操作机械臂上的防水板卷筒降低至一侧边墙下部，打开包装、人工拉出防水板1～2m进行对位。防水板须与前一幅防水板平顺搭接，要保证相邻两幅防水板搭接宽度不小于15cm。防水板松紧应适度并留有余量，一般设计周长和铺设长度按4：5比例预留。
⑵防水板对位正确后，从边墙下部开始，用超声波焊枪将防水板与热熔垫圈连接。启动机械臂绕轴缓慢旋转，由于防水板下侧已固定，防水板会自动从卷轴上释放，顺次焊接防水板与固定热熔垫圈。
⑶由于隧道断面非圆形，在拱脚起点机械臂内部的二级油缸伸出（为机械臂最长状态），机械臂继续旋转，当机械臂端部触碰隧道洞壁时，因防水板支承架外侧（机械臂端部）安装有4个限位传感器，限位传感器发出信号使机械臂油缸收缩，机械臂自动缩回。机械臂抓握防水板卷筒自隧道一侧边墙起绕转轴转动，使防水板卷筒贴近隧道内壁滚动，挂板作业人员即可完成防水板的铺设任务。
7.隧道水沟电缆槽整体移动模架施工
整体移动模架以支撑系统作为主要框架结构，根据水沟电缆槽的设计结构尺寸预先加工长约12m的移动式模架及配套的定型模板。通过丝杆将模板悬挂，可以左右移动模板到设计的平面位置；拧动螺丝帽可上下调整模板高度，使模板与设计标高一致；在模板调整到设计位置后，通过“定位卡”固定模板与模板之间的相对位置和模板与模架的相对位置；模板固定后，一次分层浇筑混凝土结构；待结构成型脱模后，通过人工推动或机械牵引使模架的整体移动到下一模混凝土浇筑的位置。
长大隧道施工风险高、难题多，施工中只有不断总结、不断探索、不断创新，才能实现安全、优质、高效的管理目标。石林隧道施工中，革新了一些施工设备，为快速施工总结了一定的技术经验，希望可以对以后施工提供借鉴。[科]
【参考文献】
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关键词：机械手；游艺机；设计；应用
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：1673-9671-(2012)042-0148-01
游艺机设备的设计具有很高的要求，游艺机不仅需要满足市场的需要、满足客户的要求，而且安全性、智能型也有非常高的要求。而机械手同时对提高产品的性能、档次具有重要的作用。机械手是一种能模拟人的手臂动作，根据设定的参数、程序以及轨迹要求，代替人手进行搬用、抓取的机电一体化的装置，机械手一般可以实现垂直、水平、选装的搬运、抓取或者放置物品，在游艺机上使用这种设备不仅操作灵活、方便，并且操作范围大，应用广。
1机械手游艺机的设计
机械手主要是指能够模仿人或者臂的一些动作，用以根据固定的程序进行抓取、操作以及搬运物件的自动操作装置，机械手在游艺机中的应用不仅可以使游艺机变成自动化，而且也在很大的程度上保证操作的安全性。机械手主要有运动机构、控制机构以及手臂等几部分组成，机械手的手臂主要是用来抓取物品的部件，根据被抓物品的形状、重量、大小等可以设计成多种形式，如夹持型、拖持型等，运动机构主要是使机械手手臂完成移动、转动以及复合运动等多种操作形式，从而改变被抓持物件的姿势以及位置，运动机械的伸缩形式、旋转运动形式以及升降形式等被称为是机械手的运动的自由度，为了能够抓取空间的任意位置的物体一般需要设计6个自由度。机械手的形式有很多种可以分为气动式机械手、液压型机械手、机械式机械手以及电动式机械手。
2下面简单介绍的机械手礼品机的设计
2.1机械手系统结构与运动方式
机械手的结构示意图如图1所示，机械手手臂的上下运用主要有升降步进电动机控制，左右运动有伸缩步进电动机控制，旋转运动主要有直流电动机的正反转进行控制，机械手的夹紧装置主要有关节结构进行设计。其中机械手的手部主要有手抓和传动机构组成的，手抓的运动的类型主要有平移性和回转性，回转型手抓结构比较简单，并且在设计以及制造的过程中比较容易，因此这种形式应用比较广泛，其中礼品机就是采用这种形式进行设计的。游艺机礼品机的图样如图2所示。
2.2机械手游艺机传动方式的设计
机械手游艺机的手臂分别放置在转台的中心位置的一侧旁，这样不仅可以保证转台的受力平衡，结构稳定，并且机械手臂的驱动主要采用电动机输出轴进行控制。由于机械手的手臂关节驱动力矩需要进行远距离进行传输，因此采用电机进行控制，这样设计对人们进行操作提供很大方便，而且非常安全。在进行设计机械手手臂的过程中，由于手臂的伸缩是直线结构，为了能够实现往复运动采用伸缩步进电机的正反转进行控制，这种机械手的手臂结构可以通过进行控制机械手伸缩步进电动机进行调整机械手的位置，从而可以保证机械手方向的正确性。并且在设计时，应该注意结构的设计以及在布局中应该尽量减少部件的重量以及机械手臂的转动惯量，对游艺机设计时，主要采用单导向杆作为导向装置，这样可以增加手臂的导向性以及刚性，以转台作为支撑板以及固连在转轴上，支撑上面的驱动电机以及机械手臂，电机的通信导线可以通过转台的中心的转轴与底座相连接，转轴设计为阶梯轴可以与底座转台相配合形成转动。机械手夹紧装置在设计的过程中应该根据应用的实际情况进行设计。
2.3机械手游艺机控制系统的设计
在对游艺机进行设计中，对于机械手的控制过程、监控过程以及服务等系统可以通过触摸屏进行直接设计，输入或者输出参数，从而可以实现对机械手的操作。机械手的运动速度主要有触摸屏系统输入步进电动机脉冲频率的装置，机械手下降以及运动的距离通过脉冲数进行控制，并且还可以实现重复、反复的操作。在机械手游艺机中采用触摸屏系统具有操作简单、灵活方便、可视性，维护性强等特点。
在对机械手游艺机进行设计的过程中，首先应该对游艺机在运用过程中可能会出现的危险因素作出全面详细的分析了解，并设计出具体的方案，然后应该进行考虑如何在设计的过程中如何才能使危害以及损伤的概率降到最小或者完全消除，在设计的过程中首先应该考虑安全问题，游艺机设置的的速度、加速度以及高速等参数与游艺机的刺激程度、安全性具有密切的关系，只有在保证安全的前提下，才能设计出满足人们刺激要求的游艺设备。因此在设计的过程中应该遵循“安全第一”的设计原则。
3总结
游艺机的设计主要是运用现代的科技手段，将具有一定主题和构思的载体通过装饰出来，在三维的空间内完成单一或者复合运动的游乐玩具，其形式丰富多彩。在游艺机设计中应用触摸屏技术方便、自然并且可以实现人机对话的科技技术，并且根据将逻辑控制系统以及科学技术应用到游艺设备中，对设备安全性的预测、动作流程的简单化以及动画形式的多样化等具有重要的创新，满足人们的需求，实现智能化、直观简单化具有重要的
作用。
参考文献
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[3]钟伟秒,麦润教,黄庆发.浅谈触摸屏在游艺机上的设计应用[J].科技致富向导,2011,23:194.
【关键词】四自由度；液压控制；机械手；嵌件上料
0引言
随着工业生产自动化的快速发展，机械手因其高效和灵活的特点被广泛的关注和应用。机械手是一种可以模仿人手和臂的某些动作功能，并按照设定的轨迹、要求和程序抓取、搬运工件或进行操作工具的自动化装置，尤其适用于较大规模、自动化流程生产和一些复杂的生产环境中；例如高温、粉尘、放射性强、噪音较大的生产环境。机械手的应用对于提高机械生产率，降低工人的劳动强度，保障一线工人的安全都具有重要的意义。目前机械手常用的三种驱动方式为：液压驱动、气压驱动、电机驱动，其中液压驱动以输出转矩大，动作灵敏，可实现无极调速，调速范围较大的特点，多被用于运动速度较低并且扭矩要求较大的工作场合。
随着注塑行业的发展，人们对于塑料制品的需求量越来越大，对于塑件的工艺和强度也提出了新要求。为了提高塑件的局部强度，嵌件在塑件加工中被广泛使用。然而工厂在生产过程中手工安装嵌件的居多，这中安装方式效率低下，严重影响了注塑机的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自动上料机械手需求愈加强烈。
1液压机械手基本组成
本文设计了一款四自由度液压机械手，通过液压缸进行控制，可以实现手臂的升降运动、伸缩运动、旋转运动，以及夹持部分的夹紧运动。其结构示意图如图1所示。
液压机械手主要包括控制系统、传动装置、执行机构、传感器装置等。其中，机械手的核心部分是控制系统，它是用以控制整个系统具体的运动过程。液压驱动是执行机构运行的传动装置。在机械手的组成中，最重要的是执行机构，而执行机构也同样是机械手内部的主体部分，机械手的执行机构是其夹持部分，主要由拉簧、杠杆、手指、楔块、杠杆支座、夹紧缸体等部分组成，其结构组成如图2所示。
2液压机械手运作原理
2.1机械手运作原理
液压机械手可实现在两台立式注塑机之间交替进行安装嵌件的工作。机械手拥有四个自由度，分别为手臂的升降运动、手臂的旋转运动、手臂的伸缩运动，以及夹持部分的夹紧运动。采用液压驱动的控制方式，以圆柱坐标作为坐标形式，其动作原理如图3所示。液压机械手开始运行，首先手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并顺时针旋转90°到注塑机1上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置B，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机1开始工作；其次手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并逆时针旋转90°到注塑机2上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置C，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机2开始工作，机械手第一个工作周期完成，待注塑机1完成运作，机械手开始下一周期的工作。
2.2液压系统的设计
机械手搬运物体是依靠液压系统实现的，液压系统是机械手运动的主要驱动方式，是机械手运动过程的核心控制部分。主要用来完成机械手的夹紧/松开、上/下伸缩、前/后运动以及旋转运动。机械手运动过程的液压系统主要由油泵、执行油缸、控制调节装置、以及辅助装置组成。此次设计中系统的主要参数如下表1、表2、表3所示。
2.3液压系统元件的选择
（1）手部夹紧缸的分析计算
3结论
本文简要介绍了液压机械收的组成及工作原理，设计完成一款由液压驱动的、可实现两台注塑机嵌件上下料的四自由度机械手，并对液压机械手的工作可靠性进行了验证。结合数据，液压机械手简单可靠，稳定性较好，可实现较重嵌件的安装工作。
【参考文献】
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