中国矿业大学机电工程学院。
机械工程及自动化专业课程设计。
班级：机自05-7
姓名：贾丹。
学号：03051153
目录。一、设计任务书3
1.1设计任务介绍及意义。
1.2设计任务的明细。
二、机械手的总体方案设计4
2.1 二维机械手设计的依据。
2.2 可行性方案的比较2.3总体方案确定。
2.3总体方案确定。
三、机械手机械传动系统的设计6
3.1 机械手手部的设计计算。
3.2 机械手臂部的设计计算。
3.3 机械手升降部的设计计算。
四、汽缸的选择14
4.1气缸选择的条件。
4.2 活塞杆上输出力和缸径的计算。
4.3 基座结构设计。
五、驱动系统设计20
5.1 驱动系统的控制设计。
5.2气动辅助元件的选取。
六、电气控制系统的设计21
6.1控制系统的基本组成、元件的选择。
6.2控制程序的设计。
七、总结27
八、参考书目27
一、设计任务书。
设计任务及基本要求：
1.1设计任务介绍及意义。
本设计的任务是：
1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。
2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（总共应有一张a0号）。
3）课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为以上，图纸设计图纸不少于两张。
4）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。
本设计的意义在于：
1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统的初步设计工作，并结合设计或实验研究课题进一步巩固和扩大知识领域；
2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本功能；
3、培养学生掌握机电产品的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练；
4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
1.2设计任务的明细。
机械系统的控制原理图或主要部件图及电气控制电气原理图（a0 图纸一张）
课程设计说明书一份。
二、 机械手的总体方案设计。
2.1 二维机械手设计的依据。
工业机械手一般由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
所给的条件：
执行元件：气动气缸。
运动方式：直角坐标、圆柱坐标。
控制方式：单片机控制、plc控制。
控制要求：速度控制、位置控制。
主要参数：气缸工作行程——400mm
移动负载质量——50kg
移动速度控制——6m/min
根据以上的要求来设计总体的方案。
2.2 可行性方案的比较。
2.2.1 执行机构。
机械手的坐标与自由度。
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、 圆柱坐标式，球形坐标形式。
由于本机械手手臂只有升降、伸缩两个运动形式只需要做两维的运动，故选用最简单的直角坐标形式即可，不需要用其它的复杂的坐标。相应的机械手是两维运动，除去手指的运动其自由度也只需要两个。
机械手的主要部件。
本设计二维机械手主要由3个大部件和3个气压缸组成：（1）手部，采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手抓的夹紧和松开；（2）臂部，采用直线气压缸来实现手臂伸缩的平行移动；（3）机身，采用一个直线气压缸来实现手臂的升降。
2.2.2 驱动机构。
在所给的条件中已经表明，所用的驱动方式为气压驱动。并且采用气压机构驱动机械手，其优点有：结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大，稳定等，而且相对于气压来说不需要专门的油箱，并且干净、卫生、适应的场合比较多，因此气压也是一个理想的选择。
2.2.3 控制机构。
在所给的条件中有两种控制的方式可以供选择：单片机控制和plc控制。从控制的稳定性上来看，plc控制要优于单片机控制。本次设计选用plc控制。
2.3总体方案确定。
2.3.1 参数的确定。
驱动方式：气动驱动。
运动方式：直角坐标。
控制方式：plc控制。
控制要求：位置控制。
伸缩行程：400mm
伸缩速度：6m/min
升降行程：400mm
升降速度：6m/min
负载质量：50kg
2.3.2 工步的行程和时间的分配关系。
三。 机械手机械传动系统的设计。
3.1 机械手手部的设计计算。
3.1.1 手部设计基本要求。
1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。
3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。
4） 应保证手抓的夹持精度。
3.1.2机械手手抓的设计计算。
(1)选择手抓的类型及夹紧装置。
本设计是设计垂直搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：夹取重量为50kg，假设手抓所夹的为块状的金属物质，那么可以设计手抓张合角=。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。
吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单， 适于夹持平板方料， 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置， 其理论夹持误差零。
若采用典型的平移型手指， 驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式的夹紧装置，它通过气压缸的作用来实现机械手手抓的夹紧和松开。
3.1.3手抓的力学分析。
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆为常见的滑槽杠杆式手部结构。
在杠杆的作用下，销轴向上的拉力为f，并通过销轴中心o点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为f1和f2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于a及b。
由=0 得。
=0 得。由=0 得。
式中 a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.
——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=或。
3.1.4夹紧力、驱动力及气缸内径的计算。
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算：
式中 ——安全系数，通常1.2--2.0；
——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按kz=1.1—2.5
——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。
g——被抓取工件所受重力（n）。
1)取；；
根据公式，将已知条件带入：
1.5×1.5×2×50×9.8＝1102.5n
2）根据驱动力公式得：
3.2 机械手臂部的设计计算。
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部（包括工件或工具），并带动它们作伸缩运动抓取或放回物件。
3.2.1臂部设计的基本要求。
1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。
2）臂部运动速度要高，惯性要小。
3）动作灵活。
3.2.2手臂运动机构的选择。
由于要实现手臂的伸缩，那么要选取双作用缸即可。
3.2.3手臂驱动力计算。
在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压缩空气输入工作腔时，驱使手臂前伸或回缩，其驱动力应克服手臂前伸或回缩起动所产生的惯性力，手臂运动件表面之间和密封装置处的默察摩擦阻力，以及背压所造成的阻力，因此驱动力的计算公式为：
式中：——手臂在起动过程中的惯性力。
——摩擦阻力。
——密封装置处的摩擦阻力。
——气缸非工作腔压力造成的阻力，若非工作腔与大气相连则=0
1）惯性力。
取启动时间，那么，即：
手抓的气缸和其它的零件部分大约在4kg左右，加上物件的质量50kg，可以计算总质量：
２） 摩擦阻力。
式中参与运动的零部件所受的总重力（含工件）；
l——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离；
a——导向支撑的长度；
——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。
气缸摩擦系数取，通过计算可以得到，导向支撑：
3) 密封装置的阻力。
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用o型密封，当气压缸工作压力小于等于1mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：
4） 背压压力。
在设计时回路的非工作腔与大气相连，故：
所以总的驱动力为：
即：3.3 机械手升降部的设计计算。
升降部分是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。
机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。
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