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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。
（4）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[8]。
2.2 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: a直角坐标型机械手；b圆柱坐标型机械手； c球坐标(极坐标)型机械手；d多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，容易实现[7]。因此，本设计采用圆柱坐标型。图2-1是机械手外观轮廓图。
图2-1机械手外观轮廓图
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2.3 驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 机械手的驱动方式共有三种方式：气动方式,液压方式,电驱动方式[9]。
（1）气动方式：成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属于简单非伺服型。
（2）液压方式： 功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。
（3）电驱动方式：
a.步进驱动： 功率小,开环控制,控制简单,可能失步。
b.直流驱动： 调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不易用于易爆,多粉尘的环境。
c.交流驱动： 维护简单,使用环境不受限制,成本较低,调速性差。
根据课题要求确定圆柱坐标型机械手，利用双作用气缸驱动实现手臂上下运动；双作用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气压缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动实现。
2.4 机械手详细设计参数
机械手的设计参数如下所示：
? 机械手（重复）定位精度：±0.5mm； ? 机械手最大抓重：1kg；
? 工件尺寸：直径约2～3cm，圆柱形，材料是铁质； ? 支座旋转角度为：90度（最大速度：90度每秒）；
? 物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度：30度（最大转度：30度每秒）； ? Y轴大臂上下移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）； ? Y轴小臂上下移动距离为：10cm（最大速度10cm/s）； ? X轴小臂伸缩距离：10cm （最大速度10cm/s）；
? 手指开合角度为：60度（最大速度60度每秒），手爪旋转角度为180度； ? 料槽小臂（推动工件的推杆）伸缩距离为：15cm（最大速度10cm/s）。
2.5 本章小结
本章主要讲述了机械手的工作原理和系统组成，并且简要介绍了执行部分。机械手动作形态采用圆柱坐标式，四自由度的运动执行均由气缸驱动完成。
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3 机械手手部结构设计及计算
3.1 手部结构
四自由度气动机械手采用夹持式手部结构，由手爪和传力机构所组成。其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型[10]，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。
3.1.1 端执行器的要求 （1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。
（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器[10]。
3.1.2 手爪的分类和选取
工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。
回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。这个偏移量称为夹持误差。
平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。
当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的回转型夹持器。[10]
结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为60度，且能够抓取重约1kg的圆柱形铁质工件。所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。
3.2 机械手手爪设计计算
3.2.1 手爪的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图3-1为常见的滑槽杠杆式手部结构。
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ααα式中： FP——驱动力；
FN——夹紧力；
a——手指的回转支点到对称中心的距离；
b——手指长度；
?——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FP一定时，?角增大，则夹紧力FN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?=30~40。
3.2.2 夹紧力及驱动力的计算
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。
（1）手指对工件的夹紧力可按公式计算：
00α图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1——手指 2——销轴 3——杠杆
FP=
2bcos2?FN （3-1） aαα
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FN?kPXsin2?a2 （3-2）
式中: K——安全系数，通常1.2~2.0； Px——轴向力；
a——V形手抓的开合角；
?——工件和手抓间的摩擦系数；
计算：设a=10mm,b=30mm, ?=350，求夹紧力FN和驱动力FP 。 设K=1.5，Px?mg，??0.3 根据公式，将已知条件带入得：
2.5?1?9.?8s?in60?35.3N6?4N0 FN?
0.6（2）根据驱动力公式得：
2FN?2bco?s40?2?3?0? Fp?a102?cos35?161.0N4
由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取
??0.88~0.9。
（3）取??0.9
F实?Fp??161.04?178.?90.9 （3-3） 1N8 03.3 夹紧气缸的设计
3.3.1 主要尺寸的确定
（1）气缸工作压力的确定 由表3-1取气缸工作压力
p?0.4MPa