机械手臂设计范文

导语：如何才能写好一篇机械手臂设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

由度机械手臂实验装置，VC++上位机界面通过串口控制机械手臂的运行，借此六自由度机械手实验装置可以在实验室内测试各种控制算法和控制理论，为机械手控制研究提供极大的便利。

关键词：机械手 模块设计 控制系统

机械手主要应用于劳动密集型的加工行业，代替人类完成单调重复的劳动，提高生产效率和产品合格率。机械手的应用扩大了人的手足和大脑功能，使人类避免从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作[1]。目前已广泛应用于汽车制造、家具制造、服装加工等领域。

1 机械手机构设计

1.1 底座结构设计 底座是用于安装手臂、动力源、控制器和驱动机构的支架。本机械手底座支架装有一个减速电机和一个智能控制器，如图1所示：

1.2 手臂结构设计 手臂是连接底座和手部的中间部分，有无关节臂和有关节臂之分，目前采用的手臂大多为无关节臂[2]，本文采用有关节臂。

手臂的作用是引导手部准确的抓住物体，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够准确的工作手臂的三个自由度都要准确的定位。本机械手手臂结构采用三个SR-403P舵机及其相关卡口工件组成，三个自由度可使机械手手臂结构更加自由灵活地运动，手臂结构如图2所示：

1.3 手部结构设计 手部安装在手臂的前端。手部由两个舵机控制，从而实现手腕的反转和手指的关闭。

机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种[3]。手指的数量又可分为二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，设计时采用的二指结构，其中一指固定，另一指由舵机控制。手指可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。机械手手部结构包含两个自由度，一个自由度用于夹持物件，另一个自由度用于反转手腕，两个自由度均由HS-7955TG舵机实现，手部结构如图3所示：

机械手装配完成后的整体设计效果图如图4所示：

2 机械手臂驱动设计

常见的驱动机构主要液压驱动、气压驱动和电气驱动。其中以液压驱动、气压驱动应用的最多，而电动驱动应用的比较少。液压驱动主要是通过缸、阀、油泵和油箱等实现传动。具有体积小、作用力大，动作平缓，调速方便等优点，但需要配备油泵等动力设备，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。以空气作为动力传递媒介，具有维护简单、方便，运行清洁，但因空气的可压缩性比价高，一般难以线性控制。电气驱动采用的不多，一般以电机作为动力源，用大减速比减速器来驱动执行机构，系统简单，维护方便，但因电机功率原因，很难达到较高的功率输出，不适合高负荷野外工作。

2.1 机械手驱动方式的选择与设计 因为本文所设计的六自由度机械手为实验室内部研究使用，故不需考虑能源供给和功率问题，反观液压驱动和气压驱动都需要庞大的配套系统来支撑驱动，所以本文采用电气驱动方式。驱动元件主要包括减速电机和舵机。图1中的减速电机采用OpenCS5A/8A智能驱动器进行控制，实现其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款应用最新的DSP控制技术开发的集运动控制、驱动、PLC功能于一体的智能控制

与数字伺服驱动器，内嵌高级运动控制语言（TML），使其易于实现无刷直流，无刷交流（矢量控制）旋转或直线，有刷伺服电机的单轴与多轴控制。机械手的其余关节使用舵机控制，舵机是一种位置伺服的驱动器，控制信号是PWM信号[4]，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms-2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化。具有控制简单，安装方便等优点。

2.2 机械手控制系统通信设计 机械手的控制系统设计主要包括驱动机构（减速电机和舵机）的控制、上位机控制界面的设计以及上、下位机之间的串口通信等。机械手控制算法经上位机解算后将控制信息经串口发给下位机MCU，下位机根据位置信息分别控制各个减速电机，从而实现机械手的精确控制[5]。

3 基于VC++的控制界面设计

上位机控制界面主要包括五路舵机控制区、一路电机控制区、机械手运行示意图等几个部分，如图5所示。

舵机控制采用滚动条的方式，并将每个舵机转动的角度实时显示在右侧的编辑框内；电机控制采用速度控制，主要包括电机的正转、反转、停止等；机械手运行示意图显示机械手的运动情况，当某个舵机或电机运行时，示意图上相对应的舵机或电机位置将会加亮，表示这一舵机或电机正在运行[6]。

4 结论

论文主要提供了一种机械手的设计思路，进行硬件制作和控制系统的设计，最终实现机械手的实时控制。解决了减速电机控制、多路舵机控制和上、下位机之间串口通信等难点问题，为实验室机械手位置控制算法的研究提供了实验研究基础，为实验室研究机械手更加精确而又复杂的控制算法提供了实验平台。

参考文献：

[1]范小兰，赵春锋.基于PLC的机械手控制在MCGS中的实现[J].制造业自动化，2012，34（18）：6-8，25.

[2]关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].煤矿机械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]张普行，严军辉，贾秋玲.六自由度机械手的运动学分析[J].制造业自动化，2011，33（20）：68-71.

[4]付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法[J].驱动控制，2006，29.

篇2

乔布斯的妻子这样评价他的搭档艾弗：在史蒂夫的生活中大多数人都是可以被替代的，唯独乔尼不是。乔布斯和乔尼・艾弗是一对绝对耀眼的设计搭档，他们分工明确，配合默契，共同创造了伟大的苹果时代：艾弗喜欢分析某个特定设计背后的理念以及如何一步步地构思出这个设计。而乔布斯则更注重直觉的判断。他会明确指出自己喜欢的模型和草图，放弃那些不喜欢的。艾弗则通过乔布斯的判断进一步完善设计理念。

乔布斯与艾弗的结合不仅建立在公司的利益上，更建立在高度契合的个人追求上。事实上，早在乔布斯之前，艾弗就已经是苹果的高管，但他对设计的追求与当时公司利益最大化的需求格格不入，因而萌生退意，是乔布斯的演讲留住了他。“我记得非常清楚，史蒂夫宣布我们的目标不仅仅是赚钱，而是制造出伟大的产品，基于这一理念所作出的决策会与从前有本质的不同”，艾弗说。基于此，他们成为了那个时代最为著名的工业设计搭档，同时也成为了彼此不可或缺的灵魂伴侣。

而在室内设计圈，亦有这样志同道合的搭档们，他们基于共同的设计理想与价值观，比肩同行，左手播种，右手耕耘，在设计路上种下一朵朵绚烂的设计之花。本期话题，我们邀请了肖泽健＼张淳（朋友）、于园＼李光政（朋友）、张静＼廖志强（夫妻）三对设计组合从搭档的选择、配合方式以及事业运营上为我们解密携手设计路上的点点滴滴。

张淳、肖泽健

“搭档”这种方式带给设计的，无疑是更完善的思想角度，更成熟的手法引用，更有效率的实际操作。

意趣相投设计征途结伴行现代装饰杂志社：能为我们介绍一下您的搭档吗？在私下里，您和您的搭档是什么关系？可否请您详谈一下你们选择彼此作为自己搭档的理由？你们的合作是基于怎样的因缘际会？

肖泽健：我和我的搭档张淳最先是在网上认识的，后来又在同一个公司上班，彼此觉得“臭味相投”，所以在搭档之前，关系就很好。在性格上，我喜动，她喜静，我大而化之，她细心谨慎，我外向，她内敛。可以说是赤道与北极。但正因为这样的不同，在思想交流上才更能擦出不同的火花，这也是我们后来能够搭档合拍的基础。对我来说，她是搭档，是朋友，也是亲人。

张淳：对，我们是好知己好伙伴好姐弟，是没有血缘关系的亲人。刚开始独立的时候，觉得一个人做设计太孤单，所以硬扯着他跟我一起做，这是源于私交。但后来在工作上慢慢磨合，彼此的行事风格逐渐渗透融合，就成了真正意义上的工作搭档。

肖泽健：其实由于个体差异，好朋友未必是好搭档，好搭档也未必是好朋友，很庆幸，我们既是好朋友，又是好搭档。

张静：我跟廖志强私下里是夫妻。

廖志强：不私下里也是。（笑）

张静：其实我们并不是一开始就选择彼此作为设计方面的搭档，而是先成为恋人。

廖志强：这是成为夫妻的必经途径，当然，也是我们成为搭档不可或缺的理由。

张静：确实。也正是因为最初对彼此的欣赏和各方面的合拍，才能有事业上的完美搭档：我是个非常感性的人，做事缺乏计划、异想天开、感情用事，但他跟我恰恰相反――思路清晰，有条理。这点上，他的优势正好弥补我的不足。除开性格互补外，最重要的是我们价值观一致，认为金钱并不是最重要的，它只是生活的辅助手段。而且都喜欢看书，喜欢关注与设计有关的一切。

廖志强：其实张静所说的她的缺点也正是她的优势，感性的人对艺术有着更敏锐的感知力。

于园：我的搭档李光政是从业十多年的资深设计师，也是我多年的同事。我们在之前共事的几年相互非常了解，追求点也很默契，这些促成了我们后来独立创业的合作。我们都希望开心生活开心工作，能做出点与众不同的东西。李光政：做出不同是很多设计师孜孜以求的梦想，也许终其一生都不能做到真正的“不同”，但我相信，真诚的付出加无止尽的探索，我们终会有所得。设计，但求无愧于心。

于园、李光政

现代装饰杂志社：您认为您的搭档是一个怎样的人？他的性格与处事风格与您类似还是互补？

于园：我和李工的性格是互补的，我比较喜欢全局性地看问题，但在细节上着眼不多，他则严谨细致，对细节把控游刃有余。拿读书作比的话，我是逍遥派，“好读书不求甚解”，他是苦吟派，“吟安一个字，捻断数根须”。李光政：夸张了，其实于园也很注重细节，只不过我们注重的细节点不同，比如在设计方案上，把控细节的是我，但是在公司运营与方案的执行上，把控细节却是她。

肖泽健：我的搭档是个很闷的人，这样说会不会挨打？（笑）她不太喜欢出去玩，是与世无争的资深宅女一枚。我怀疑她是外星人，由于太不合群了被她的种族发配到地球了。不过“宅”也是她的优势，长期的“宅”使她十分冷静淡定，淡定到哪怕房子被点了，只要没烧到硬盘资料，她依然能够泰然自若。当然，烧到硬盘资料就另当别论，她是工作狂，设计控，烧到硬盘就是踩到尾巴了。

张淳：小肖是个天马行空的“疯子”，甚至有点不着边际，他喜欢思考，善于逆向思维。而我则更多地善于静处与总结，我们性格中不同的部分，刚好在工作中互补。

肖泽健：我们在彼此眼中都是“疯子”，我是“肖疯”，她是“张三疯”。

李光政：设计人就应当如此，不疯魔不成活。张静：廖志强是个巨蟹男，这个星座的性格特点在他身上体现得特别明显：热爱事业、重情爱家这些。在处事上我们还是比较类似的，之前也说过我们的价值观相同，对设计同样地热爱。当然也有不同的地方，就是对待同一种事物，有理性判断和感性感悟之分。这种差异在工作上体现出了极大的益处。

廖志强：感性的女人是天生的艺术家，这是我对我“搭档+爱人”的评价

分工明确你“耕田”来我“织布”

现代装饰杂志社：在设计过程中，您和您的搭档是怎样的配合方式？在艺术创作中有一个很玄妙的东西叫做灵感，您的搭档会经常带给你灵感的启发吗，可否谈一谈你们在工作过程中的趣事？

廖志强：在设计过程中，她负责后期配饰，我负责前期硬装设计，更准确说法应该是：她负责如何好看，我负责如何好用。关于灵感，其实有好的东西我们都会在第一时间共同分享的，比如我看到一些她喜欢的书或者网站，会以最快的速度发给她。同样地，她也是我的灵感女神。

张静：他更适合做前期的准备工作，比如硬装设计，空间改造等。而我主要是空间风格整体基调的把控，以女性的直觉去判断客户的喜好。现在我们每做一个设计，都是整个团队一起全程参与，人多了，灵感也便多了，总会有最好的。

张淳：爱情也是你们之间的必备灵感。（大家笑）

肖泽健：在设计过程中，我们会先各自摆出自己的想法，然后再探讨：她对尺寸非常地敏感，空间感很强。而我对颜色风格比较敏感。经常是我做出一套设计的风格基调，由她来放到一个合适的尺寸空间里面。

张淳：我们经常会为案子争吵，但随着相处时间的变长，慢慢就知道了彼此的特长与缺点，再出现类似的分歧，就会明白，谁的想法更适合，或者怎样结合更好。灵感，是从争议到杂糅，由互补而升华。

肖泽健：曾经有一次，我们两个为了一个方案争持不下，吵了半天后请来了客户做选择，在客户面前依旧据理力争各不相让，这也算是认真的执着吧。

于园：其实好的设计都是碰撞出来的。每个案子我们都会拿出来共同讨论，各自阐述自己的想法，每个案子都是这样定稿的。在整体方案过程中也会经常沟通，力求呈现出更好的效果。到现在，不讨论的话反倒觉得不踏实了。

李光政：这和你们写文章是一样的，自己的文章太熟悉了就看不到缺点，如果拿给别人看，反倒会得到更好的修改意见。我们做设计也是如此一一这也是搭档的好处，会比自做自改多一重把关。

现代装饰杂志社：在公司或者个人品牌的运营上，您和您的搭档哪位起主导作用？您二位分别在其中扮演怎样的角色？

肖泽健：在公司运营上，我是军师，她是主公。我会出很多点子，然后共同探讨。一般情况下，想出十个，她能采纳两个就算没做无用功。对于我来说，点子想多了，反倒像一堆浆糊一样模糊不清，而她却能在这团浆糊里找到所需要的东西，非常厉害。这也是理科生的优势，逻辑思维很强。

张淳：他有很多想法，我负责筛选和定夺。而在后期的执行上，主要靠他。总的来说，他主外，我主内。

于园：公司运营上，李工负责更多：他主管公司运行的整体规划，我则负责具体落实。他绘制蓝图，我添砖加瓦。张静：我们在品牌运营上主打之境设计的公司品牌，运营与规划是以廖志强为主导的，但在我们的设计圈子里我俩似乎都是以模范夫妻的形式出现。

廖志强：她刚才也说过我是理性的人，我想这样个性更适合做事业推手。其实作为工作搭档，最主要的是要做到量才而用，各司其职，找到合适自己的位置最重要。

现代装饰杂志社：在设计过程中，您和您的搭档是否有意见相左的时候，遇到这种情况时，你们一般会怎样处理？

肖泽健：处理意见相左最适用的真理：。

张淳：重要的是结果，就算是争吵，也要做出最合适的设计。

张静：肯定会有意见相左的时候，但是因为彼此都是能听得进意见的，所以只要谁的理由足够充分自然就听谁的，如果当时实在争执不出结果，彼此就会选择先停下来冷静一段时间再综合意见。

廖志强：在大是大非上我们还是“公私分明”的。

于园：每个人都有自己所坚持的东西，这些坚持里一定有一部分是有价值的。所以聆听不同的意见非常有趣。我们其实很享受意见相左时的针锋相对、唇枪舌战。李光政：没有矛盾就没有这个世界。任何事物有了对立面才有了存在的价值和理由。我们能够成为搭档，不也是因为“不打不相识”吗？

顺势而行将求麟凤向天涯

现代装饰杂志社：未来您和你的搭档会一直以“设计组合”的方式出现在世人面前吗？您觉得“搭档”在设计行业中是否是一种值得推广的方式？它能带给设计哪些好处，同时又有哪些弊端？

张静：是否会一直以“设计组合”的方式出现，这个还是顺其自然，就像我们开始从彼此独立设计到互相参与，直到有一次偶然发现对方所擅长的正是自己的弱项之后，就慢慢开始尝试一起做每一套设计，时间久了，分工就越是明确，搭配也越是默契。我们选择“搭档”这种形式，并非是因为推广，而是为了取长补短，争取把我们的设计完善得更好。

廖志强：顺其自然最好，成为工作搭档并不是刻意为之，同样地，将来由于事业的发展需要我们重新定位，也未必不能再次独立工作。

李光政：俗话说，有人的地方才有江湖，没有风起云涌，就不能称之为江湖。搭档合作，没有争议，那就等同于同自己合作，毫无效果。同我的搭档合作，我觉得至少我们是不同的，这很具有挑战性。

于园：个人觉得，团队合作，相对来说更为轻松，是否适合在于个人，找到合适的人，事半功倍。一个人的设计，总有瓶颈期，好的伙伴会陪我们共同走过这段难捱的时光。弊端是每个人都有坚持的东西，所以需要花费很多时间去磨合沟通，以达到最好的效果。

张静、廖志强

顺其自然最好，成为工作搭档并不是刻意为之，同样地，将来出于事业的发展需要我们重新定位，也未必不能再次独立工作。

肖泽健：我觉得作为设计组合，关键还是要看人――与什么样的人合作很重要。我个人认为，搭档，就应该是两个性格完全不同的人来做，这样才能取长补短，才长久。目前，我跟张淳的合作很愉快，我们两个以及我们团队的相处也很融洽，我希望在未来可以一直持续下去，大家共同在设计上做出点成绩来。再者，一个品牌想运营好，光靠一个人的能力是不够的，我很喜欢这种大家一起齐心协力精诚合作的感觉。每个人发挥所长，每天都在头脑风暴中享受工作，想想就令人激动。

张淳：我和小肖之间的搭档关系会一直存在，只是，这种组合的内涵不仅仅局限于设计，它会更多地体现在公司的发展上，以及人生的伴随上。我个人觉得，“搭档”这种形式是值得推广的，只是，形式可以因各自团队而不同：它可以将不同人的优点集结在一起，规避缺点。这样的方式带给设计的，无疑是更完善的思想角度，更成熟的手法引用，更有效率的实际操作。

弊端的话，我想就是，设计品牌并不是一两个人的事情，它是整个团队努力的结果，如果过分强调搭档效益，就会弱化团队性，如果处理不好，有可能会妨碍团队的凝聚力。这点，我觉得要注意下，个人品牌一定要兼顾团队效益。

现代装饰杂志社：“中国梦”是近两年非常热门的一个话题，事实上，“中国梦”是由各行各业的梦想共同组成，能否谈一谈你们的“设计梦”？

张静：“设计梦”这个提法太大了，如果真的要说的话，我们所有的其实是对未来的期许：希望我们和我们带领的团队能够更好地利用自己掌握的设计知识，来帮助我们的客户实现更好的居家环境。

廖志强：脚踏实地，每前进一步，就向理想状态靠近一步。

肖泽健：希望我们的每一套作品都有新的突破、新的尝试、新的亮点，但这些都是要围绕着客户的需求而定，做到这点需要许多琢磨。

张淳：其实就是在艺术与需求之间寻求平衡，做既能取悦客户也能取悦自己，更能取悦环境的作品。

篇3

一、引言

气动机械手臂是气动技术在机械加工领域运用最多的一种技术，其具有质量好，重量轻，操作简单，性能稳定以及环保节能灯特点。气动机械手臂主要采用模块化的设计模式，尤其是使用当前传输技术的气动机械手臂，使用可多次编程的阀岛技术进行控制，同时，其气动伺服系统，也全部采用模块化的设计进行组装，便于进行精确定位 [1]。

本文的核心内容是研发构建一种定位精确、适用性广的气动机械手臂，对研发过程中具体涉及的机械原理和系统配置进行了研究，设计了基于三菱的FX2N可编程控制器的控制系统的硬件和软件。

二、气动机械手臂总体结构设计方案

气动机械手臂有多种类型，根据具体运动模式，可以区分为圆柱坐标、球式坐标、直角坐标和关节式四种机械类型[2]。机械手臂的运行组件由主体和辅助部件组成。用来改变抓取对象的空间位置的组件称为主运动部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而单纯改变抓取对象方位和状态、不涉及空间位置改变的组件就是辅助运动部件，主要有手腕和手指部位。

气动机械手臂的工作为两个位置点之间的材料移动工作，因此机械手臂要具有基本的升降、回转和伸缩能力，因此，这里采取圆柱坐标式构造模式，此处机械手臂保留三个自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降两参数）、回转自由度（用θ表示，有正转反转两个参数）和伸缩自由度（用r表示，分为伸展和收回两个动作）。该机械手臂的运动模式如图1所示。

图1 机 械 手 臂 运 动 简 图

三、控制系统的功能及结构分析

控制系统的设计首要问题是如何选择一台理想的PLC（主要是规格和型号），其次是PLC的I/O（输入/输出）点和设备的配置。然后是程序流程设计与程序编制[3]。

1、直线控制单元的控制

如图2所示为气缸的位置控制器及其构成图。图中气管线路用虚线代表，电线或电缆用实线表示。控制器的信号来自PLC，PLC是这部分的核心，通过磁传感器识别气缸到达的位置，达到实时精准地控制气缸。

2、 PLC控制硬件

要实现系统的主要功能，就必须对此气动机械手的每一个动作都要求要有一个手控的按键。为保证机械手执行工作的准确性，就要求在程序设计时要考虑到相互牵连的功能。在现实情况中，控制机械手的启动按键和停止按键必须要在一起的，这主要在于设置控制机械手的启停时考虑到节省PLC的输入输出点数这个因素。系统在运转时，要保证机械手的工作在一个正常的循环周期内。在设计时考虑到在机械手在进行每一个周期的工作时，机械手的设定值按系统主体需要设定，比如正转、反转、上升、下降、伸出、缩回、加紧、放松。每次开始前，需重新设定，使机械手回到原来的位置，进行工作，也就是所谓的“回原点”。对于回原点，包括自动式和手动式。根据系统需要选择PLC的型号，并对PLC端的输入输出点进行I/O分配，相关的分配表如表1所示。

图2 直线控制单元构成图

3、PLC控制软件

在连续模式下，机械手的运行是按照操控主体的初始设定进行的，要保证整个连续模式下的系统的高效运行[4]，就要求在操作之前检验整个系统的操作是否处在真正的设定值上。整个操作可利用各个具体的操作按键操控气缸的运行，在到达相对应的初始位置时再对气缸的运动进行减压、停止，这就保证了整个系统合理有效的会到初始值的原点。对于正处于连续模式的机械手来说，当系统被手动操控回到原始位置时，整个系统会自觉的进入到下一个正常的循环中。图3所示为循环动作梯形图。

图3 循环动作程序段

四、结论

对气动机械手的构造进行模块化整理，对气动机械手的整体进行相关的分析和设计，对其气动位置控制系统进行了深入研究，对气动机械手的控制系统的硬件、软件进行了设计。经过调试运行，达到了预定效果。实践证明，所开发的以PLC为核心的气动机械手控制系统，运行可靠性高，操作简单方便，环境适应性强。

参考文献

[1]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发[D]. 西安：陕西科技大学. 2003.

[2]陆鑫盛.气动新技术讲座――模块式气动机械手[J].液压气动与密封.2001（6）： 31～43.

[3]劳俊，伍世虔，杨叔子.模块化与现代制造技术[J]..制造技术与机床.2004（9）： 40～42 .

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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

4.1.6 PLC外部接线设计. 31

4.1.7 I/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；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SIMATIC S7-200 CPU224。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。

4.1.6 PLC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SIMATIC S7-200 （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）

4.1.7 I/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！

参考文献

1．付永领， 王岩， 裴忠才. 基于CAN总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现. 机床与液压. 2003， (6): 90~92

2．刘剑雄， 韩建华. 物流自动化搬运机械手机电系统研究. 机床与液压. 2003， (1): 126~128

3．徐轶， 杨征瑞， 朱敏华， 温齐全. PLC在电液比例与伺服控制系统中的应用. 机床与液压. 2003， (5): 143~144

4．胡学林. 可编程控制器(基础篇). 北京: 电子工业出版社， 2003.

5．胡学林. 可编程控制器(实训篇). 北京: 电子工业出版社， 2004.

6．孙兵， 赵斌， 施永康. 基于PLC的机械手混合驱动控制. 液压与气动. 2005， (3): 37~39

7．孙兵， 赵斌， 施永康. 物料搬运机械手的研制. 机电一体化. 2005， (2): 43~45

8．王田苗， 丑武胜. 机电控制基础理论及应用. 北京: 清华大学出版社， 2003.

9．陈铁鸣， 王连明， 王黎钦. 机械设计(修订版). 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社， 2003.

10．李建勇. 机电一体化技术. 北京: 科学出版社， 2004.

11．王孙安， 杜海峰， 任华. 机械电子工程. 北京: 科学出版社，2003.

12．张启玲， 何玉安. PLC在气动控制称量包装装置中的应用. 液压与气动. 2005， (1): 31~33

篇5

关键词：轴承变形量 SCARA型机器人 手臂柔顺度

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0215-01

随着科技进步和社会发展，搬运的负载越来越大，只有设计出更大负载能力的机械手，才能在国际高端市场占有一定立足之地。

许多单位和学者对机械手手臂柔顺度展开了研究。常治斌在长臂机械手手臂结构设计中，除考虑强度问题外，还要考虑刚度问题，即机械手在抓起工件后，手臂受力会产生变形[1]。要使机械手满足位置精度要求，必须控制机械手手臂在受力后的变形值，使它在允许范围内。采用梁单元的有限元法，着重介绍了截面尺寸不同的长臂机构手手臂的静、动态特性分析程序设计及计算实例。林异捷等人对全液压铅残极板移载机械手提升手臂装置进行运动学分析[2]。通过对移载机械手提升机构进行建模并实现简化，采用正向运动学和逆向运动学的分析方法，建立起支撑杆的位移、速度、加速度与对应液压缸的位移、速度、加速度之间的关系。通过仿真软件对所得的运动学方程进行了验证，提高最终结果的准确性。利用所得到的研究结果，可以为移载机械手的动力学分析、运动轨迹规划和控制系统及液压系统的设计提供重要依据。杨振针对手臂模型未知和动态环境下的仿人机器人手臂柔顺性控制算法[3]，根据不同任务研究了在线控制仿人机器人手臂的柔性。通过仿真研究表明，合理的调整阻抗参数在实际力控制过程中至关重要，它可以有效地减少机械手与环境接触时的冲击力。同时对基于神经网络逆系统的阻抗控制算法作了仿真研究，仿真结果表明该算法的效果较理想。本文计算由球轴承引起的手臂下垂量使用的是赫兹接触理论。赫兹理论做了以下的假设[4]。对于滚动轴承内部的接触问题来说，这些假设基本上是成立的。

材料是均匀的；

接触区的尺寸远远小于物体的尺寸；

作用力与接触面垂直（即接触区内不存在摩擦）；

变形在弹性极限内进行。

使用赫兹接触理论可以计算出接触面的尺寸和应力。当钢与钢接触时最大赫兹接触应力可简化为平均赫兹接触应力

其中Q是接触载荷。

本研究使用的软件是SolidWorks Simulation[5]。SolidWorks Simulation 是一个与 SolidWorks完全集成的设计分析系统。所涉及的具体内容有：线性静态分析、频率分析、动态分析、线性化扭曲分析、热分析、非线性分析、跌落测试分析、疲劳分析、压力容器设计和横梁和桁架。

该软件采用了有限元方法（FEM）。FEM是一种用于分析工程设计的数字方法。FEM由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。

SolidWorks Simulation节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。通过减少产品开发周期数量来缩短产品上市时间。快速测试许多概念和情形，然后做出最终决定，这样，就有更多的时间考虑新的设计，从而快速改进产品。

洁净机器人手臂主要应用于半导体、硬盘、平面显示器和太阳能产业中的晶片搬运，机器人手臂的刚度必须满足不同工位、有无负载所引起的末端高度下垂量要求，即为柔顺度定义。

机器人柔顺度计算包括两部分：第一部分是轴承变形量的计算；第二部分是对手臂进行有限元分析，得出末端下垂量。本文以SCARA型三关节机器人手臂作为计算对象，每个转动关节选用两个深沟球轴承作为选择支撑。SCARA型机器人手臂受力分析如图1所示[6]。

1 轴承变形引起的下垂量计算

首先，利用机器人手臂的三维模型，分别对三个关节进行质量和质心位置评估后可得到手臂各关节承受的力矩。然后，通过受力分析，计算出各个轴承所受到的载荷力。

计算辅助变量

其中：1-I，1-II与2-I，2-II，分别为包含两接触物体1和2的主曲率的平面，为曲率。

计算出后，查赫兹接触系数表，可得出。

当钢与钢接触时，弹性趋近量计算公式可简化为：

其中：Q为轴承所受载荷力。

最后，将机器人手臂有负载和无负载时轴承引起的末端下垂量做差，可得到负载引起的末端下垂量为3.691 mm。

2 机器人手臂变形引起的下垂量计算

通过SolidWorks Simulation软件对手臂有负载和无负载两种情况进行有限元分析。将有负载和无负载的手臂最前端变形量做差，即为不考虑轴承变形作用下的手臂变形量。此时计算出的手臂变形量为3.324 mm。

3 结语

本计算方法以SCARA型机器人手臂为例，计算结果7.015 mm与实验值6.795 mm误差仅为3%。因此，这种计算方法可以满足洁净机械手产品柔顺度的计算要求。

参考文献

[1] 常治斌，方炜镖，孙传琼，等.长臂机械手手臂结构的有限元分析[J].湖北汽车工业学院学报，1996（2）.

[2] 林异捷，袁锐波，衡杨，等.移载机械手提升手臂装置的运动学分析[J].机床与液压，2012（19）.

[3] 杨振.基于阻抗控制的机器人柔顺性控制方法研究[C]//东南大学自动控制系统论文集，2004.

[4] 冈本纯三.球轴承的设计计算[M].黄志强，译.北京：机械工业出版社，2003.

篇6

关键词：轮胎机械手 ADMAS 工作原理 动态仿真

随着矿山设备的发展，矿用车辆轮胎机械手也不断更新发展，逐渐向大型化，自动化方向发展，这给轮胎机械手的设计带来了诸多的挑战和难题。设计一种能够代替人力，操作简单，安全实用，适用于大型轮胎拆装、搬运需求的设备成为当务之急。这有利于提高生产效率，降低劳动强度，保证作用安全。研究表明85%的轮胎机械手的破坏发生在连杆机构，这种破坏主要是连杆机构在动态载荷下发生的疲劳失效或者应力屈服破坏。为了解决轮胎机械手连杆机构的破坏难题，本文将对该连杆机构进行动态应力仿真，考场连杆机构在动态载荷的作用下连杆所发生的变化，并提出连杆机构的优化设计方案。

1、轮胎机械手发展状况

国外的轮胎机械手的发展已经十分成熟。第一台轮胎机械手由美国佩蒂伯恩公司生产的Super 20型轮胎夹装机，该机械手具备更换运输卡车和重型设备轮胎的作用，还可以当做叉车使用；该设备显著的特点是高效，大量减少劳动量。改型轮胎机械手主要由以下几个部分组成：前伸式夹持装置，四轮驱动装置，四轮空气制动装置和一台GM型柴油机组成。该装置的最大夹持承载能力在伸出时为4309kg，缩回时为6804kg，夹持装置能够向两侧转动45°，叉架能够左右移动127mm，以准确完成轮胎的定位。此装置能够平稳的夹起轮胎，并将轮胎准确的定位在轮毂螺栓上。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎拆装设备的研发还很少。广西柳工集团生产的ZL40B型装载机，使用规格为20.5-25的轮胎，充气后质量为0.4t，最大直径为1.55m。该型装载机的工作机构可以完成动臂的提升和铲斗的旋转动作。拆下铲斗，在动臂斗销的位置上安装水平放置的两只夹持臂。两只夹持臂由液压缸提供动力，可以实现张开和闭合动作。这样，装载机自身动臂的提升、铲斗的旋转外加夹持臂的开合动作就可以满足轮胎拆装的需求，具有操作方便、结构简单、安全可靠等优点。

2、ADMAS软件的介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

3、轮胎机械手结构组成

轮胎机械手的主要功能是实现矿山大型车辆轮胎的拆装和搬运。动力源为液压缸，并要求液压动力在适当的荷载下运作，才能使液压工作件高效、平稳、准确的完成液压元件的各项操作动作；而且液压动力源的各项操作可以通过电液伺服控制技术使提高该系统的自动化控制水平。轮胎机械手可以安装在装载机或叉车上，利用装载机和叉车可以将物体举高的现有动作实现垂直地面方向的移动，轮胎机械手自身可以完成对轮胎的夹持、水平移动和两个方向的翻转动作以满足大型轮胎的拆装和搬运过程中所需的各种动作。轮胎机械手执行机构大致由手盘、手臂、转动架、平动架和固定板组成。

4、轮胎机械手工作原理

轮胎机械手的执行是通过手臂上的两支液压缸的伸缩，产生一定的夹紧力同时对两支手臂同步完成手臂的张开和闭合动作，其中最大的夹紧重量为5900kg，夹持距离为1092mm~4060mm；另外手臂上的手盘能够在360°的范围内带动负载以额定转速旋转，旋转力矩和要求转速由安装在手臂的液压马达经过减速器产生，要求旋转过程不能发生打滑现象；同样转动架以2r/min的转速旋转360°，且旋转所需的力矩是由安装在平动架上的液压马达提供；而平动架在水平左右移动所需的动力又安装在平动架和固定板之间的平动液压缸提供，并且可以在300mm的范围里移动；最后，整个装置由固定板安装在装载机或叉车上。

5、动态应力仿真

由研究表明，85%的轮胎机械手主要在连杆机构处发生破坏，而破坏的原因主要是因为动载荷受力不均匀，导致连杆机构疲劳失效和破坏。针对连杆机构的在动载荷下的破坏，探究杆件在受到动载荷时杆件的应力情况。动态应力仿真的步骤是：首先建立轮胎机械手的虚拟样机模型；然后导入到动态分析软件ADAMS中，对样机模型进行约束、驱动使模型模拟整个机械手的运动；最后在ADAMS中记录模型在受到动载荷下，模型的运动状况以及杆件所产生的动态应力。

通过动态软件ADAMS仿真可以直观的轮胎机械手的动作过程，通过修改参数可以看出该机械手的连杆机构在不同载荷下所受到的动应力，根据该动应力的情况设计合理的连杆机构，同时对改进轮胎机械手提供了依据。同时仿真模型和运动过程参数可以为整个机构的优化提供理论依据，继而为快速、准确方便的设计和制造物理样机奠定基础。

同国外相比，国内轮胎机械手发展起步比较晚，还处于生产小型轮胎拆装机阶段，对于大型轮胎机械手的研发还很少。主要原因是国内轮胎机械手的设计中，很少考虑连杆机构在动态载荷下的应力变化情况，在对轮胎机械手的改进和研究过程中我们要充分考虑动态载荷情况，根据动态载荷运用动态仿真软件来模拟其实际情况，这样能节约成本，缩短开发周期。

参考文献：

[1]冯亮,孔德文,孙建军.轮胎机械手动态应力仿真研究[J].煤矿机械, 2011 ,07 .

篇7

关键词：PLC；机械手；控制系统

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2012）05-0-01

机械手是能够进行自动定位控制并能对编程进行重新改变的一种多功能机器，机械手具有多个自由度，并且可以用来搬运工件，有效完成在不同环境当中的工作任务，很多生产线可以运用机械手来代替人的繁重体力劳动，实现工厂生产的自动化和机械化，并且在有害的环境下能够有效保护人的生命安全，就当前的发展来看，机械手已经广泛应用于原子能、轻工、电子、冶金、机械制造等各个部门，通常也会被用作一些机床机器的附加设备，其最为核心的部分就是控制系统和执行系统，而且其执行机构多是由电机、气动以及液压所构成的，具有应用广泛、灵活性好、操作范围大的特点。

一、机械手运用的现状分析

机械手是当前自动控制领域中出现的一种较为新颖的技术，是现代工业生产中能够用到的重要技术组成，并且已经在工业生产中得到了广泛应用，取得了良好的效果，利用机械手技术进行工业生产，能够大大减少工人的工作强度，并且通过对PLC技术的准确控制，也能大大提高工业生产的效率，对于改善工人的劳动条件产生积极的意义。就当前的应用情况来看，机械手主要采用的是气动驱动或者是液压的控制方式进行操作，这种方式具有很大的优越性，不仅结构简单，而且非常便于控制和掌握，在使用的过程中要注意对气源以及压力进行合理的配置。

二、机械手的结构系统分析

1.系统配置。在工业生产流水线传送系统当中，机械手采用圆柱坐标的方式进行空间位移，能够使机械手做好准确定位，机械手主要是由手爪、手臂、立柱和底盘构成，其工作流程主要是：将机械手固定在初始位置，底盘转动到所要求的取货台位置上，降低立柱，伸出手臂，做好定位之后将物料抓取，然后升高立柱，回收手臂，避免在运行的过程中与设备发生碰撞，到达出货台，下降立柱，伸出手臂，打开手，然后再把物料放在相应的出货台上，复位机械手，再开始下一个流程。机械手的结构示意图如下：

工业控制系统要求控制系统应该包括触摸屏、执行元件、电机驱动器四个、脉冲输出模块四个、控制器五部分，其中控制器所采用的就是三菱系列的PLC，这样就可以按照工业设计的要求来准确设计控制机械手，触摸屏与PLC可以通过通讯口直接进行通讯，手动部件以及各种相关的设置操作都可以通过触摸屏来进行控制，并且有利于实现实时监控的意义。

2.硬件设计。通常比较常用的就是手动的工作方式，可以利用按钮对机械手的动作进行简单的控制，例如，在按“下降”按钮时，机械手就会听从命令下降，在按“上升”按钮时，机械手就会出现上升操作，利用手动操作的方式可以使机械手处于原点的位置上，便于在维修时对其进行适当的调整。其自动工作方式也较为常用，例如，在按下启动按钮之后，机械手就会从原点开始连续反复的工序循环工作，如果不按下停止按钮，机械手就会一直持续这样的工作状态，只有在按下停止按钮之后，机械手才会停止这样的工作状态。机械手的操作状态信息需要进行24个输入端子的协助，其中位置检测信号主要包括放松、夹紧、缩限、伸限、上限、下限等，工位位置检测信号包括四个端子，光电开关检测元件需要四个端子，在进行手动操作时，需要有六个端子，停止、自动、回原点、手动操作需要有四个端子，总共就需要有24个端子。

3.软件设计。初始状态实际上就是采用状态初始化的指令对工作方式进行设置，当IST指令满足相应的条件时，处于初始状态的继电器就会被指定一定的功能。机械手的控制程序较为复杂，一般就是运用模块化的设计思想，把机械手控制程序分为：自动连续操作，手动单步操作，回原点操作几个部分，其中手动运行程序就是指用初始状态对继电器进行SO控制，回原点程序、自动运行程序和手动程序均是采用STL触点进行控制和驱动，这三部分的程序也不会被同时驱动。自动回原点的功能程序就是当原点在满足条件时，M8044特殊的辅助继电器为ON，再利用RST指令将最后一步S12进行复位。机械手控制系统的工作方式主要分为回原点、连续、单周期、单步以及手动五种形式，在电磁线圈断电、机械手在最右边或是在最上边的时候，系统就处于原点的状态，机械手PLC的梯形图程序其总体结构可以分为连续工作、单周期工作以及单步工作几种工作程序，它们的工作都是按照一样的顺序所进行的，将它们合在一起之后其编程会变得更加简单。

三、结语

实践证明，用可编程控制器所设计的机械手电气控制系统不仅系统的可靠性较高，运行精确稳定，具有很强的功能，并且线路简单，具有很强的功能扩展性，利用脉冲输出设备和PLC对机械手采取控制手段，可以更加准确和快速地对其控制要求做出相应的反应，进而实现对自由度步进电机进行合理的精确定位和控制，准确、快捷和方便地实现机械手位置的控制，对于有效完成物料的整个传送任务能够产生积极的影响。

参考文献：

[1]范金玲.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].液压与气动,2010(07).

[2]王月芹.基于PLC机械手控制系统设计与实现[J].机电产品开发与创新,2011(03).

[3]郅富标,毋虎城,张四海.基于PLC的物料搬运机械手控制系统设计[J].中州煤炭,2011(05).

篇8

[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0156-02

前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。

1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法

1.1 弧面凸轮机械手的运动形式

根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。

1.2 弧面凸轮机械手的结构

在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：

（1）能否完美的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。

（2）能否对工作条件有完美的满足，如工作环境，工作内容，制度以及可靠性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的最佳加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。

（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。

（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。

（5）经济方面，能否保证经济消耗最小化，造成的生产效率最大化，使其最大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。

2.主要零件及附件的设计

2.1 连杆的设计

下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和从动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：L子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高精确度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。

2.2 滚子的设计

在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为准确的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保证其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可完全满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。

2.3 输入轴的设计

这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的完全靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度应为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。

3.摆动期运动规律的选用

3.1 弧面凸轮机械手的运动特点

为保证弧面凸轮机械手的准确性，能够可靠地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：

（1）精度高：要拥有更好的准确性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐精确性、稳定性加工。

（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。

3.2 常用的运动规律

凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。

（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。

（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。

（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。

结论

在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保证其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。

参考文献

[1] 张文光.弧面分度凸轮机械手设计与仿真分析研究[D].集美大学，2014.

[2] 侯喜林.弧面分度凸轮机构参数优化设计和仿真[D].兰州理工大学，2012.

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【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】

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一、数控机床上下机械手的发展与动态情况

经过调查研究发现，我国目前数控机床上下机械手的研究和发展较为突出，它的动态特征也相对明显。一是，模块化与可重构化成为了动态发展的基础；二是，PC机的开放型控制器变为了上下料机械手体系发展的主要方向，网络化和标准化态势异常突出。器件的集成度不断强化，设计出的架构也更加灵巧，系统安全性和可靠性更为有效；三是，机械手中的传感器发挥了巨大的优势，位置传感器和速度传感器得到了进一步应用，视觉、触觉传感器的加入使用，更是将上下料机械手推向了更为先进的方向；最后，以焊接和装配为代表的机械产品也走向了模块化方向，其仿真效果和动态特征异常突出。

二、上下机械手手爪架构的流程设计

数控机床上下机械手的样式多样，类型丰富，在操作过程中对作业和装置的要求严格，根据不同的操作需求，机械手的选择也不尽相同。最常见的机械手是测量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它们的差异明显，作用不同。机械式手爪设计流程必须符合要求，遵循具体原则实施施工，根据其运转和作用的内容进行相关设计和开发。为了避免它与万能手爪方式存在矛盾，还要将工业应用作为设计的基础，将重点放在机械手设计过程中，实现和健全它的工作职能，考虑设计流程的经济效益。另外，机械手爪架构还必须具备通用特征，能够使用有限数量的手爪适应不同要求的机械手，在末端执行器开展工作的时候，还应该配置一个标准的机械接口，保证执行过程的标准化特征。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工。在对上下料机械手进行设计的过程中，一定要首先分辨用途，然后在结合实际设计流程，突出其使用效率。

三、上下料机械手设计方案的实际运转

数控机床上下料机械手设计流程完善规范后，还要确保其实际运行的科学性。由于机械手手臂基本上都为直线式，它的刚度又较大，在运动过程中势必会对稳定性和安全性具有更高的要求。因此，在实际运转过程中，一定要选用液压驱动的方式，根据液压缸表现出的直接性驱动特征，突出它的执行作用，降低控制难度，并使用计算机实施管理控制。在此基础上，机械手手臂在具体运转过程中还具有自身的控制要求，结构设计不用过多关注长度，仅仅依赖加大液压缸的直径来提高其刚度，那么势必无法满足系统需要，设计问题也会暴露。针对这样的现象，在具体设计过程中，要添加导杆机构在设计之中，在小臂上安装导杆两个，并使它们与活塞杆组成一个三角形，通过三角形的稳定性提高小臂的刚度性能。在大臂上则安置四个导杆，构成一个四边形，并且保证每个导杆都为空心样式，进而最大限度的降低大臂重量，做好机械手设计流程的应用，发挥其技术能力。

四、机械手的主要优势和运用

数控机床上下料机械手的作用和优势明显，它的作用突出，具备较好的特征。另外，机械手的实施方案具有速度快、工作效率高等优势，它的负载能力强，移位的精准性好，故障出现的频率势必会大大减小，其优势作用相当明显。例如，机械手在DK050机床上的成功应用就是一个显著的案例，也是数控机床柔性输送方面的一个巨大的创新内容。在未来的发展过程中，它势必会得到更加完善的运用，机械手的开发和使用也将得到前所未有的发挥，为广大使用者提供更加便捷的服务，减少施工时间，扩大经济效益。

五、结语