第二章、工业机械手
2.1机械手的简介
工业机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动化机械装置。在工业生产中工业机械手简称“机械手”。
工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求不一样，所以其结构形式各不相同，技术复杂程度也有很大的差别，但是一般上机械手都有类人的手臂、手腕和手部的动作功能，一般都能够按照预定的要求，自动地、重复地工作[1]。
工业机械手的主要优势是能代人完成一些繁重和重复的工作，把劳动者从繁重枯燥的劳动中解脱出来；或者是代人完成恶劣环境中的工作，从而减轻工人的劳动强度，改善劳动条件；另由于机械的自动化往往也能提高生产效率。
2.2工业机械手的组成
工业机械手的构成主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成，各个部分之间的相互关系如下图所示：
（2.2-1）机械手各部分之间的相互关系
1、执行机构
一般由手部，手腕，手臂和机座等部件，有的还增设行走机构。
（1）手部 直接与工件或工具接触的部分，实现对工件的抓取或工具的握持。有些直接将工具（如焊枪）装置于机械手的前端，而不设置手部。手部一般分为回转型和平 移型（多为回转型，因为其结构较为简单）。还可以分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要吸取冷的表面光滑的包装对象）和电磁吸盘（导磁材料）。
（2）手腕 是机械手中连接手部和臂部主要用来确定工作时手部位置并扩大臂部动作范围的部件。有一些实现动作较为简单的机械手不设腕部，而是直接将手部连接在手臂上（本设计就不设手腕）。
（3）手臂 是机械手中支承腕部和手部，用来实现较大范围运动的部件。 （4）支柱 是支承手臂的部件，支柱也可是手臂的一部分。手臂的回转，升降或俯仰运动均与立柱有密切的关系。
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（5）机座 是机械手的基础部分。执行机构的各部件和驱动系统均安装在机座上，起支承和连接作用。
有时为了完成远距离的操作或扩大使用范围，可增色滚轮行走机构。 2、驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械驱动四种形式。
3、控制系统
控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序、位置、时间、速度和加速度等。
4、位置检测装置
位置检测装置是控制执行机构的运动位置，可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，使执行机构以一定的精度到达设定的位置。
2.3机械手的运动和分类
1、机械手的运动
机械手以及其手部所夹持的的工件（或工具）在空间的位置，由臂部、腕部、手部等部件以及整体机的各自独立运动合成起来确定。机械手通常可实现的基本动作：
手臂的运动：A、伸缩运动B、回转运动C、俯仰运动D、升降运动。 手腕的运动：A、回转运动B、上下摆动C、左右摆动。 手部的运动：A、夹紧B松开。 整机的运动：A、整机行走
机械手的每一个运动，都必须用一个原动件，当原动件按照一定的规律运动时，机械手的各部件的、随之做确定的运动，从而使机械手确定性的运动为位置。
2、机械手的分类
机械手按不同的标准有不同的分类方法，目前还没有统一的标准。一般机械手可以有以下的分类方式：
（1）按坐标形式可分为： A、直角坐标机械手； B、圆柱坐标机械手；
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C、球坐标机械手； D、关节机械手。
（2）按规格（工件的重量）可分为： A、微型的——搬运重量在1Kg以下； B、小型的——搬运重量在10kg以下； C、中型的——搬运重量在60Kg以下； D、大型的——搬运重量在500Kg以上。
目前大部分的工业机械手能搬运的重量为1～30Kg。最小的为0.5Kg，最大的已达800Kg。
（3）按照机械手的用途可分为：A、专用机械手；B、通用机械手。 （4）按驱动方式可分为： A、液压驱动机械手； B、气压驱动机械手； C、电力驱动机械手； D、机械驱动机械手。
（5）按控制的方式还可以分为：A、点位控制机械手；B、连续控制机械手。
2.4机械手的主要参数
机械手的主要参数是说明机械手的规格和性能的具体指标，一般包括： 1、抓取重量
抓取重量又称为臂力，是机械手所能抓取或搬运的物件的最大重量，它对其他参数如行程范围、运动速度、缓冲装置等的设计均有影响，是机械手的最基本参数。
2、运动速度
运动速度反映机械手的生产水平，影响机械手的运动周期和生产效率，很多机械手由于运动速递低而影响了它的适用范围。运动速度的大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小，行程范围有关系。
3、行程范围
机械手的运动行程对机械手性能有较大的影响。一般来说，手臂的行程应该尽量大，以提高机械手的适应范围；但是另一方面，手臂太长会增加手臂的悬伸量，相应的偏重力矩和转动惯量要增大，且刚性降低，定位精度也会更难得到保障。
4、定位精度
定位精度是机械手的另一重要指标，是机械手从某一位置运动到预期位置时所达到的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手零部件本身的精度与刚度，并和抓取重量大小及运动速度等有密切的联系定位精度包括位置设定精度和重
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复定位精度两种，一般所说的是指重复定位精度[1]。
第三章、机械结构设计与驱动气缸的选择
3.1设计内容的明确及机械手参数设定
1、设计内容
设计题目要求为工业生产中包装生产线的气动直角坐标型机械手设计，为使设计的进一步细化明确，本人设定工作场景为：包装生产线中500ml×12常见啤酒装箱操作的实现，每瓶啤酒的毛重约为1Kg（常见为0.95?0.5Kg），所以设定抓取重量为13Kg，属于中小型机械手。
2、机械手主要参数、规格等设定如下表：
表1
驱动方式： 气源气压： 规格： 坐标型： 气压驱动 0.6MPa 中小型 直角坐标型 介于专用与通用机械用途： 手，手部可拆卸，具有一定互换性。 控制方式： 控制系统： 抓取重量： 运动速度 (X/Y/Z-m/s)： 行程范围 （X/Y/Z-mm）： 点位控制 PLC控制 13Kg 0.1/0.1/0.1 800/500/950 3.2手部结构设计及夹紧力分析计算
手部选择滑槽杠杆式手部结构，又考虑到两瓶啤酒之间的空间有限，为使结构紧密且手部驱动气缸的受力尽量减小，手部结构采用活动手指与固定手指相结合形式，其结构如下图：
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（3.2-1）手抓部分结构图
在活动手指的下端固定橡胶材质的V型块能与啤酒瓶上端圆锥形外围相切。其中在气缸推杆的作用下销轴3向上运动带动两个活动手指绕O1O2旋转，使得手指往里加紧推动V型块夹紧啤酒瓶。啤酒瓶受力可表示如(3.2-2)：
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