第一章 绪论
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
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)机械手为多工位冲床专用机械手，因此相对于通用机械手来说，它的适用面相对较小.
(2)选取机械手的座标型式和自由度
(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)气压传动系统的设计
本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。
(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。
(6)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用继电器对机械手进行控制，本课题将绘出继电器控制电路图。
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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.本次设计的机械手是多工位冲床专用机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的和操作单调频繁的生产场合。
2.1机械手的座标型式与自由度
工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节
型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。
图2-1 机械手的四种坐标形式
1.直角坐标机械手结构
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a2-1.。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。
直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手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。
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第二章 机械手的设计方案
2.圆柱坐标机械手结构
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。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
3. 球坐标机械手结构
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。
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。其工作空间是一个类球形的空间。
4. 关节型机械手结构
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。关节型机械手动
作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。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，都广泛采用这种类型的机械手。
关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。
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。由于本机械手在工作时手臂具有伸缩、横移和升降运动，因此，采用直角座标型式。下图为本次机械手的自由度以及运动示意图。
图2-1 机械手的运动示意图
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2.2 机械手的手部结构方案设计
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
这种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
这种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，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。
2.3 机械手的手腕结构方案设计
1.机械手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机械手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机械手腕部的灵活性愈高，机械手对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。
2.机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。
3.机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
4.机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 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。
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第二章 机械手的设计方案
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。 机械手的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。
考虑到机械手的优化，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
机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；
1.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。
2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。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。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
3.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。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。
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。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。
5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在
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