第二章 总体方案确定
2.1 性能参数要求
（1）应具有适当的夹紧力，夹持重量不小于5kg，夹持力可以调整,且夹持力恒定；
（2）手指应具有一定的开闭范围，可夹持20～80mm圆柱形棒料;
（3）应保证工件在手指内的夹持精度；
（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；
（5）应考虑通用性和特殊要求。
（6）夹持机械手采用平行开闭，执行动作为抓紧—放松；
2.2 机械手整体传动方案确定
2.2.1、电机作为动力源，采用螺旋丝杠传动
使用电动作为驱动方案，传动机构使用传统的齿轮、滚珠丝杠等。该方案具有以下特点：
（1）适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；
（2）由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉外调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机械手个被大量选用；
（3）滚珠丝杠传动时，传动效率高达0.9~0.98有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械手的动态特性和提高工作精度；具有很好的高速性能。只是在安装调试时有点难度。滚珠丝杠已经形成了标准化系列化的产品，易于购买降低成本。
2.2.2、液压动力源，采用液压传动
使用液动作为上升、平移和夹持的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：
2.1、 优点：
（1）液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手；缺点是维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。
（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）。。
（3）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；
（4）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；
（5）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（6）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；
（7）操纵控制简便，自动化程度高；
（8）容易实现过载保护;
（9）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。
2.2 缺点：
（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；
（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；
（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；
（4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适。
（5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。
2.2.3、气压动力源，采用气压传动
气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
优点：
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，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。
缺点：
1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。
2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。
3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。
4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。
综上所述：
5Kg以下的圆柱形棒料是一种小零件，因此机械手的承载能力不要求很大。在本设计中，要更多的考虑机械手的灵活性，因此选用第三种方案是理想之选。
其主要特点是:介质能源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
2.3、 气动机械手的系统工作原理及组成
机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。
图2-1机械手的系统工作原理框图
机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装置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.
(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)
3、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
(二)驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。
(三)控制系统
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。
(四)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.
该方案如上图所示，可以达到设计要求的三个自由度。
根据设计的要求，以上三个方案都可以实现三个自由度。其中也各有千秋，相比之下最终我选择使用第一个方案。理由是：
1、相比之下，该方案在整体上结构紧凑所占工作面积较小且易于实现各机构；
2、方案二在旋转的角度有限，最多也就是180°不利于日后该做他用且当整个机械手上升到最高点时，重心太高会降低了整体的刚度；
3、方案二中，旋转装置在滑套上使得在结构设计时不好布置，既要尽量靠近导轨又要尽量避免机械干涉；
4、方案三工作时会有一个机械手的整体移动，能耗上会比方案一多，且地上的固定导轨会占用较大生产面积，同时导轨维护成本增加，最终会导致总成本的增加。
2.4 手爪传动方案
手爪传动方案如下图所示，活塞与齿条固联，气压推动活塞运动，从而带动小齿轮转动，而小齿轮又带动大齿轮转动，从而带动齿条左右移动，实现了Ｖ形夹持器平行夹紧与松开。
此方案传动可靠，结构比较紧凑，生产和制造方便，能夹持尺寸不同大小的圆形棒料，且保证圆形棒料中心不变。
在大小齿轮之间设有摩擦片，小齿轮可轴向移动，小齿轮与摩擦片之间的压力由螺母压缩弹簧实现可调，弹簧被压得越紧，则大小齿轮之间的压力越大，则摩擦片带动大齿轮转动的力越大。
图2-3 恒握力实现方案示意图
