气动机械手教学设计（精选10篇）
外 文 翻 译
动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度机械手
Dynamic optimization of a new high-speed, high-precision three degrees of freedom manipulator
性 质: □毕业设计 □毕业论文
教 学 院：
系
别： 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职
称： 起止日期：
机电工程学院 机械设计制造及自动化
11410520 姜淼 机自1105 孔繁星 教授/助教 2015.3.1～2015.3.28
吉 林 化 工 学 院
Jilin Institute of Chemical Technology
吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
动态优化的一种新型高速，高精度的三自由度机械手
①
彭兰（兰朋）②，鲁南立，孙立宁，丁倾永
(机械电子工程学院，哈尔滨理工学院，哈尔滨 150001，中国)(Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China)
摘要
介绍了一种动态优化三自由度高速、高精度相结合，直接驱动臂平面并联机构和线性驱动器，它可以提高其刚度进行了动力学分析软件ADAMS仿真模拟环境中，进行仿真模拟实验.设计调查是由参数分析工具完成处理的，分析了设计变量的近似的敏感性，包括影响参数的每道光束截面和相对位置的线性驱动器上的性能.在适当的方式下，模型可以获得一个轻量级动态优化和小变形的参数。一个平面并联机构不同截面是用来改进机械手的.结果发生明显的改进后的系统动力学仿真分析和另一个未精制一个几乎是相等.但刚度的改进的质量降低很多，说明这种方法更为有效的。
关键词: 机械手、ADAMS、优化、动力学仿真
吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
当各个环节的平面并联机时，结构决定于运动学分析和综合[4-7]，机械优化设计的首要任务，应加大硬度、降低质量.关于几个参数模型.这是它重要的影响，研究了各参数对模型表现以进一步优化。本文就开展设计研究工具，通过参数分析亚当斯，又要合理的方式来得到一个轻量级的优化和小变形的系统结构。仿真模型
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自动机械系统动力学分析是一个完美的软件，对机械系统动力学模拟可处理机制包括有刚性和灵活的部分，仿真模型可以创造出机械手的亚当斯环境 如图-2。OXYz是全球性的参考帧，并OXYz局部坐标系，两个直流驱动电机、交流和02M O1A表示，与线性驱动器CH被视为刚性转子转动惯量电机传动的120kg/cm2。大众的线性驱动器是1.5kg，连接AB、德、03F和LJ被视为柔性体立柱、横梁GK，通用公司和公里，形成一个三角形，也被当作柔性传动长度的链接是决定提前运动学设计为AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm，= 8.338cm。其它维度，这个数字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。
虽然总平面并联机构的运动都是在水平、垂直和水平刚度必须在竖向刚度特征通常低于水平僵硬，因为它的角色在垂直悬臂梁的截面尺寸计算每一束平面并联机构和相对位置的线性驱动器是两个非常大的影响因素的系统。
运动支链可分为三类："主动链（由驱动器赋予确定独立运动的支链。一般是单驱动器控制一个自由度的运动），从动链（不带驱动器、被迫作确定运动的支链。又分为以下两种：约束链：独立限制机构自由度的从动链。冗余链：重复限制机构自由度的从动链）复合链（有单驱动器、但限制一个以上的机构自由度的支链，实际是主动链与约束链的组合）-并联机构是由这几种支链用不同形式组合起来的。动链中的约束链除了可以提高机构刚度和作为测量链外，其更主要的作用是用来约束动平台的某一个或几个自由度，以使其实现预期的运动。
吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
其控制一个自由度，其余自由度通过纯约束链去除，这样可以使主、从动运动链的作用分离，运动解耦，有利于控制。具有三自由度的并联机床，当采用条主动支链作为驱动时，机构就需要约束另三个自由度，通过选择无驱动装置的从动链来完成，则整个机构成为有确定运动的三自由度的并联机构。黄真等提出的约束综合法对完全对称的少自由度并联机器人机构进行了型综合，完全对称的支链结构相同，都属于复合链，每条支链除都有一个单驱动器，控制一个自由度外，还应约束一个以上自由度才能使该机构的运动方向受控，使机构有确定的运动。
2.1 截面效应
扭转变形位移的连结将会引起的，所以，扭转常数的横截面，重力是研究装系统来研究，采取扭转刚度的垂直切片lxx不变的各个环节和梁作为设计变量的变化，从 0.1 x 105mm4 与 3.5 x 105 mm4。
图-3 不断的效果在垂直变形扭转
图-3显示了平均位移与截面扭转常数末端的各个环节和梁，根据它的变化速率的环节，是最大的，AB是链接，LJ依次分别GK梁和KM有在竖向刚度性能。其他的仿真结果表明，水平位移之间的差异进行比较，结果表明该模型体育智力H和刚性模型变化小就改变了恒定不变的时候扭加载惯性力的线性驱动器，但是水平位移的变化，这意味着在这种
吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
图-5 瞬间的惯性效应对垂直位移
图-6 转动惯量不平衡的影响
2.2影响的线性驱动器的相对位置
线性执行器的惯性是主要载荷之一，在机械手的运动，不同的相对应的垂直位置产生不同的变形，图7显示了绝对平均的最终效应垂直位移时驱动马达以恒定的加速度旋转，我们可以看到，过低或过高的相对位置会造成比格变形，最好的位置是一对Z = 24毫米的地方大概是从中间环节连接O3F到 AB.吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
图-8 梯形运动姿态
图-9中回应的是机械手，相比之下，图-10中提高初始的反应，在其中所有的链接和机械手的矩形截面梁的坚实基础，用30毫米，高度的差异是曲线，C和H的曲线积分，二是垂直位移的末端，改进系统中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，争论的振动激励后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始变形改善系统的初始小于前者具有较少的惯性，因为在相同的步伐不断加快，保持振动瓣膜差不多一样，它对这整个系统中来说，仍然改善系统的刚度，几乎相当于初始制度，针对大规模的平面并联机构在该系统相比下降了30%，这样的初始优化是有效的。
图-9、图-10 动态响应
吉林化工学院本科毕业设计外文翻译
参考文献
[l] Dasgupta B，Mmthyunjayab T S。The Stewart platform manipulator：a reviewMechat~m and Machine Theory，200o。35(1)：15—40
[2] Xi F，Zhang D，Xu Z，et al。A comparative study on tripod u ts for machine Lo0ls。Intemational Journal of Machine TooLs&Manufacture，2003，43(7)：721—730
[3] Zhang D，Gosselin C M。Kinetostatic analysis and optimization of the Tricept machine tool family。In：Proceedings of Year 2000 Parallel Kinematic Machines International Conference，Ann Arbor，Michigan，2001，174—188 [4] Gosselin C M，Angeles J。A globe preference index for the kinematic optimum of robotic manipulator。ASME Journal of Mechanical，l991，113(3)：220—226 [5] Gao F，I，iuX J，GruverW A。Performance evaluation of two-degree-of-freedom planar parallel robots。Mechanism and Machine Theory，l998，33(6)：661-668
[6] Huang T，Li M，Li Z X，et al。Optimal kinematic design of 2-DOF oaralel manipulator with well shahed workspace bounded by a specified conditioning index IEEE Transactions of Robot and Automation，2004，20，(3)：538—543 [7] Gosselin C M，Wang J。singularity loci ofplanarparallel manipulator with revoluted actuators。Robotics and Autonomousm，1997，2l(4)：377 398 [8] Yiu Y K，Cheng H，Xiong Z H，et al。on the dvnamies of Parallel Mmfipulators Proc。Of IEEE Inemational conference on Robotics& Automation。20o1。3766 3771 [9] Chakarov D。Study ofthe antagoni~ie stifness of parallel manipulators with actuation redundancy。Mechanism and Machine
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。一般专用机械手有2～3个自由度。本课题设计的是一个四自由度工件搬运气动机械手。
1 机械手的总体方案设计
课题是气动轻型平动搬运机械手的设计。轻型气动平动搬运机械手的设计,工作可靠、定位准确、气动控制回路简单、电气控制容易实现、成本相对低,很适合用于工业中单调、频繁的搬运或抓取类工作。
2 手部的设计计算
2.1 手部的工作原理及力学分析
下面对其基本结构进行力学分析:图1为常见的齿轮杠杆式手部结构。
在活塞杆1的作用下,手指3和连杆2一起随连杆移动,从而实现手指的张开与闭合。当活塞杆向下移动时,手指闭合。当活塞杆向上移动时手指张开。
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。
手指对工件的夹紧力可按公式计算:
FN≥K1K2K3G (1)
式中:K1——安全系数,通常1.2～2.0;
K2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估
vmax——运载时工件最大上升速度;
t响 ——系统达到最高速度的时间,一般选取0.03～0.5s;
K3 ——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择;
G ——被抓取工件所受重力(N)。
计算:设a=100mm,b=50mm,10°<α<40°;机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力FN和驱动力F和驱动气压缸的尺寸。
1)设K1=1.5
根据式(1),将已知条件代入得到:
FN=1.5×1.02×0.5×588N=449.8N (2)
2) 根据驱动力公式得:
4) 确定气压缸的直径D
选取活塞杆直径d=0.5D,选择气压缸工作压力P=0.8~1 MPa,
根据表1(JB826-66),选取气压缸内径为:D=63mm。
则活塞杆内径为:
D=63×0.5=31.5mm,选取d=32mm
2.3 手指夹持范围计算
为了保证手指张开角为60°,活塞杆运动长度为34mm。手指夹持范围,手指长100mm,当手指没有张开角的时候,如图2(a)所示,根据机构设计,它的最小夹持半径R1=40,当张开60°时,如图2(b)所示,最大夹持半径R2计算如下:R2=100×tan30°+40cos30°≈90,机械手的夹持半径从40～90mm。
2.4 机械手手指夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。
机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手的定位精度(由臂部和腕部等运动部件来决定),而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,需进行机械手的夹持误差设计。该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持范围为80～180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下:工件的平均半径:RCD =65mm手指长l=100mm,取V型夹角2θ=120°。偏转角β按最佳偏转角确定:
计算 R0=lsinθcosβ=100×sin60°cos46°=60.15
当R0≥Rmax≥Rmin时代入有:
夹持误差满足设计要求。
3 机械手气动回路及PLC 控制系统设计
轻型气动平动搬运机械手气缸驱动,PLC 控制。图3是气动控制回路原理图,图中每个气缸的运动方向都分别由各自的方向控制阀(单电控两位五通阀)进行控制,气缸的运动速度则通过节流阀进行调节。机械手垂直手臂由摆动气缸构成,气爪为平行气爪结构,分别由各自的方向控制阀进行控制,摆动气缸也可通过节流阀进行调速。
应用PLC 控制机械手实现各种规定的预定动作,可以简化控制线路,节省成本,提高劳动生产率,该设计中全部采用双电控电磁阀作为驱动气缸的主控阀。输人信号端:12 个行程开关发出信号,另外根据系统控制的要求,需要TART,POSITION 和RESET 共3 个按钮信号,1 个STOP 按钮信号,还需要1 个用来控制机械手运行方式的AUTO/MAN 旋动开关。输出信号端:用来驱动6 个气缸的电磁阀需要12 个输出信号,电磁阀14 需要1 个输出信号,3个用来显示工作状态的START,RESET,POSITION 信号指示灯。
利用 PLC 进行多气缸顺序动作控制,有如下特点:
1) 整个控制系统包括PLC 控制部分和气动控制部分;
2) 可用双电控电磁阀或单电控电磁阀或采用阀岛进行气路转换,结构紧凑;
3) 信号控制可用行程开关,也可根据需要用非接触式传感器接收信号;
4) 工作可靠性高,大大提高了生产率;
5) 运用PLC 控制与计算机通信可实现远程控制,因而在生产中运用广泛。
4 结语
轻型气动平动搬运机械手充分利用气动自动化技术,根据应用工况的要求,选择相应功能和参数的模块,像搭积木一样进行组合。这是一种先进的设计思想,反映了气动技术今后的发展方向,也将始终贯彻于气动机械手的开发应用中。实践证明,该机械手运行可靠,操作便捷。
摘要：叙述了机械手的设计计算过程,介绍了搬运机械手的设计理论与方法,讨论了搬运机械手的手爪、手臂以及旋转立柱等主要部件的结构设计。
关键词：机械手,气压传动,气压缸
参考文献
[1]刘明保,吕春红,等.机械手的组成机构及技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报,2004,1(1).
[2]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.
[3]陆祥生,杨绣莲.机械手[M].北京:中国铁道出版社,1985.
[4]张建民.工业机械人[M].北京:北京理工大学出版社,1992.
[5]史国生,崔洪斌.PLC在机械手步进控制中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2001(8).
[6]李允文.工业机械手设计[M].北京:机械工业出版社,1996.
[7]蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略[J].机械人技术,2001(4).
机械手主要由手指、手腕、手臂等运动部件组成，其结构见图1。它有手臂升降气缸A、手臂伸缩气缸B、夹紧气缸C、手腕回转气缸D、手臂摆动气缸E气动元件及辅助元件。其工作方式的选择可以很方便地在操作板上表示出来，如图2。
1.现场器件与PLC内部等效继电器地址编号对照表(见表1)
2．动作顺序执行表
该机械手的控制要求：手动启动后，能从第一个动作开始自动延续到最后一个动作，动作顺序见表2。
3．可编程控制器的选型
由系统的输入输出选择可知，输入信号全部为开关量以“三菱”FX0N-40MR型可编程控制器为例，其输入点为24点，输出点为16点，继电器输出方式，电源为AC100～240V，50/60HZ，可直接采用原控制电源AC 24V，满足要求。
二、程序设计
1．系统的组成
操作系统包括回原点程序 、手动单步操作程序和连续操作程序，如图4。
（1）回原位程序如图 5所示。用S10～S14作回零操作元件。应注意，当用S10～S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
（2）手动单步操作程序如图6 所示。
（3）自动操作程序如图7所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动上升Y0，当到达上限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1手臂正摆，当到达正摆限位使行程开关X2接通，状态转移到S22，驱动Y2手臂伸出，当到达伸出限位使行程开关X3接通，状态转移到S23，驱动Y3置位夹紧，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力，同时夹紧指示灯亮。当T0接通，状态转移到S24，驱动Y4手腕正转，当转到正转限位，X4接通，状态转移到S25， 驱动Y3复位放松，夹紧指示灯灭，电磁力放松，为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26，驱动Y5手腕反转， X5接通，状态转移到S27，驱动Y5 手臂反摆。X6接通，状态转移到S30 驱动Y7缩进，X7接通，状态转移到S31驱动Y10下降， X10接通，返回初始状态。
2．PLC与现场器件的实际安装接线图
（I/O 端口分配接线图见图8）
一、课程的性质
本课程是农业机械使用与维修专业学生开设的专业基础实训课。
二、实训的任务和目的本课程实训的任务是使学生掌握巩固液压与气动元件的基本原理和结构、液压与气压传动系统的组成以及在设备和生产线上的应用。熟练掌握液压与气动控制系统的组装及一般故障排除。为学习后续课程和毕业后从事专业工作打下坚实的基础。
通过本课程的实训教学，要求学生达到以下目标：
（一）掌握巩固液压与气压传动的基础知识，基本计算方法。
（二）了解常用液压泵、液压缸、气缸、及控制阀的工作原理、结构特点及应用。
（三）学习分析一般的液压系统回路和气动控制回路的方法，培养设计简单的液压系统及气动控制系统的思路。
（四）通过实训使学生读懂液压与气动控制回路图，并熟练选用元件，按照回路图正确组装并调试液压与气动控制回路。
（五）通过典型的实用设备液压系统实训，使学生有针对性的学习，掌握所学专业设备液压与气动系统管理、维修和故障排除，为学生毕业后迅速顶岗奠定坚实基础。
（六）通过探综合索性的实训项目，培养学生的综合分析问题和解决问题的能力以及创新能力。
三、《液压与气动技术》课程实训内容
1.基本实验
(1)液压泵的拆装
能正确使用各种拆装工具。
理解常用液压泵的工作原理和主要零件的作用。
掌握液压泵的安装技术要求。
掌握常用液压泵的正确拆装和常见故障的排除方法。
(2)液压缸和液压发动机的拆装
能正确拆装、调整常用液压缸和液压发动机。
掌握液压缸和液压发动机的安装技术要求。
掌握液压缸和液压发动机的常见故障的排除方法。
(3)液压控制阀的拆装
理解常用液压阀的结构、工作原理、联接方式和装配技术要求。
掌握电磁换向阀、溢流阀、顺序阀、调速阀的拆装和常见故障的排除方法。
(4)液压基本回路调试
掌握调压回路、卸荷回路、调速回路、顺序动作回路的调试方法。
(5)液压转向助力器的拆装
了解滑阀式伺服阀的结构、开口形式及使用注意事项。
掌握液压转向助力器的工作原理、拆装和常见故障的排除方法。
(6)典型液压系统的调试及故障排除
初步具有典型的农机具、拖拉机、汽车液压系统的调试及故障排除能力。
(7)气动元件的拆装
了解常用气动元件的结构和工作原理。
掌握常用气动元件的拆装及常见故障的排除方法。
(8)典型气动系统调试及故障排除
掌握农机具、拖拉机中典型的气动系统的调试及常见故障排除。
2.选做实验
(1)液压油恩氏黏度测定实验
能准确地测定液压油的黏度。
(2)压力形成实验
理解液压系统的压力取决于负载的重要概念。
(3)液压泵性能实验
能测试液压系统的压力、流量两个基本参数。
掌握定量液压泵流量压力特性、容积效率、总效率的测试方法。
能正确使用液压实验常用的设备和仪器。
四、《液压与气动技术》课程实训的基本要求
实训时分小组进行，每组配有液压实训所需的基本工具。学生应根据实训指导书和项目设计要求，认真预习，亲自动手操作拆装元件和系统、设计和分析液压或气压系统图，完成实训要求内容，并做好记录。最后根据实训数据作出正确的分析，并完成实训报告。
五、《液压与气动技术》课程实训组织形式与教师指导方法
1、实验教师课前准备、学生课前预习
2、实验教师统一讲解、示范
3、学生分组，每4-5人一组，设一位小组长，实验教师个别指导。
4、实验教师归纳、总结
5、学生写实验实训报告。
六、《液压与气动技术》课程实训过程考核及评分要求
实训操作阶段表现占20%，效果占60%，实训报告占20%。
七、《液压与气动技术》课程实训组织纪律要求和安全操作要求
1．实训报告文字潦草，照抄同学报告者，评定成绩时不得给“优”、“良”成绩。
2．实训不认真，违反各项规定，无组织无纪律者，应给不及格成绩。
3．无论何种原因，未经允许而擅自离开实训地点达半天时间以上者，应给不及格成绩。
飞翼布局运输机气动设计方法研究
由于飞翼布局的运输机具有结构强度、气动效率、总体装载以及RCS隐身等方面的优良特性,它成为未来大型运输机的`气动布局方案中最引人关注的一种布局形式.以0.85马赫为巡航设计点,设计了一架起飞总重在250吨左右,最大载重量在50吨,最大航程在8000公里以上的飞翼布局运输机.通过采用Euler方程数值解法进行气动特性评估,在初始设计方案的基础上进行进一步的改进设计,有效地提高了初始方案的升阻特性和力矩特性.最终设计结果表明提出的设计思路具有一定的可行性和适用性.
作 者：杨宇飞 白俊强 夏露 YANG Yu-fei BAI Jun-qiang XIA Lu 作者单位：西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072刊 名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：37(1)分类号：V221.2关键词：大型运输机 飞翼布局 气动设计
项目教学法的涵义
项目教学法是从教学生“学会学习”目标出发，使教学从注重“教法”转到注重“学法”，将学生的学习与学生发展密切结合起来。以学习任务为载体，以目标为引导，以实践为主线，以能力为核心；融知识学习、技能训练、能力提高于一体的教学模式。
在项目教学过程中，教师是活动的引导者，教学的主持人。通过创造某种特定的环境或情境，让学生在教师所设计的学习环境中进行学习，强调学生学习动机的激发和学习兴趣的培养，这种情境是建立在让学生熟悉周围的环境的基础上，对所学的内容感到好奇、感到惊讶继而能对此提出问题。以学生为中心的教学组织形式，让学生以团队的形式进行学习，引导学生自主学习和探索；强调在团队学习中发挥每个学生的主体作用。
气压传动机械手是以压缩空气为动力源,气动阀为控制元件,气缸为执行元件,实现各种需要的动作,具有系统结构简单、造价成本低、工作环境要求低、设计和制造周期短等优点,因此受到愈来愈广泛地重视。以P L C为核心的气动机械手控制系统具有较强的抗干扰能力,编程方便,系统的可改造和可扩展性好,特别适用于点位控制模式的机械手。阐述一种用于机械装配的P L C控制的气动机械手,用机械手取代人工装配,用P L C取代继电器控制,实现装配过程自动化。
1 装配自动线的布局及气动机械手的工作任务
图1所示为某零件的装配自动线的整体布局平面图。装配线主要由转盘、传输带1、传输带2和气动机械手等4部分组成。转盘有4个工位,由变频电机驱动槽轮机构带动转盘作间隙转动,每次顺时针旋转9 0°。传送带1和传送带2由步进机构驱动带动工件作步进间隙运动。自动线的零件装配过程如下:在工位1处,安装零件的基础件→转盘顺时针旋转90°将基础件送到工位2→机械手将传送带1上的工件1取出→机械手将工件1送到工位2处并进行装配→机械手将传送带2上的工件2取出→机械手将工件2送到工位2处并进行装配→转盘顺时针旋转90°将已进行初装配的工件送到工位3→在工位3处,安装零件的压盖并压紧完成零件的装配→在工位4处,将零件取走。
由自动装配线的零件装配过程可见,气动机械手的主要任务是将传送带1上已到位的工件1(矩形)取出,送到转盘工件2位置并装配到零件的基础件上;再将传送带2上已到位的工件2(圆柱形)取出,送到转盘工件2位置并装配到零件的基础件上。
2 气动机械手结构设计
根据机械手的工作任务,进行机械手的结构设计。机械手结构如图2所示,由手指、手指升降装置、手指旋转装置(手腕)、机械臂、机械臂旋转装置、立柱机架等组成。运动构件均由气缸驱动,由电磁气阀控制气缸动作。
手指用于夹持工件或释放工件。手指夹持和释放动作,由手指夹持气缸的往复运动实现。
手腕是实现手指的旋转动作的部件,由手指旋转气缸的往复运动实现。在本研究的机械手中,手腕设计是必须的。由图1可见,工件1是矩形截面,手指在传送带1抓取工件1并随机械臂逆时针旋转60°,到转盘工位2时,工件1也随之逆时针旋转60°,而装配要求工件1的边线与x轴线平行。因此,要求在工位2处,手指应顺时针旋转6 0°。抓取圆柱形工件2,手指没有方位问题。当手指再次抓取工件1时,又要求手指逆时针旋转60°,回复到初始方位。
手指升降装置是实现手指和手腕部件的上升和下降,由升降气缸的往复运动实现。传送带和转盘台的工作平面不在同一高度上,升降装置在这2个高度都能停留,即升降装置设计应使手指有3个高度的工作位置:传送带、转盘工位2、最高位置。
机械臂用以支承手指、手腕和升降装置等部件,机械臂旋转气缸的往复运动带动机械臂绕立柱轴线作往复摆动。中空的立柱内,安装有用于带动机械臂旋转运动的回转轴。由图1可见,旋转机械臂的设计应使手指在3个工作位置上停留:传送带工件1、转盘工位2、传送带工件2。
3 机械手气压传动原理
机械手的气动原理图如图3所示,气源的供气压力为0.5~0.7MPa。电磁气阀均选用24VDC供电,可直接与P L C输出端口连接使用。机械臂旋转缸配用气阀选用3位气阀,双电磁铁驱动,因为旋转缸需要3个工作位置。同样,手指升降缸配用气阀选用3位气阀。手指旋转气缸和手指夹持气缸配用气阀选用2位气阀,单电磁铁驱动,因为气缸只需要2个工作位置。系统配置1 3个电感式接近开关S Q,以获取气缸及相关工部件工作位置的信息。机械臂旋转气缸路径上配备3个接近开关S Q 1~SQ3,分别和3个工作位置相对应:传送带1、转盘工位2、传送带2。升降气缸的路径上也配备3个接近开关SQ4~S Q 6,分别和3个工作位置相对应:传送带、转盘工位2、最高位置。接近开关S Q 1 1的信号标志传送带1上工件1是否到位;接近开关S Q 1 2的信号标志转盘上基础件是否到位;接近开关S Q1 3的信号标志传送带2上工件2是否到位。
气动系统的气源开关阀由电磁铁线圈Y A 0控制,Y A 0通电时,机械手的4个动作气路供气,机械手可以根据指令进行操作;Y A 0失电时,机械手的气路处于排气状态,不能动作。YA0的通电由手动按钮SB1控制,作为系统的启动按钮;Y A 0的断电由手动按钮S B 2控制,作为系统的停止按钮。如图3所示,机械手的4个动作缸都处于原始状态,SQ1、SQ4、SQ7、SQ9等接通。YA1通电(Y A 2不得通电),机械臂旋转缸活塞杆伸出,机械臂逆时针转动;Y A 2通电(Y A 1不得通电),机械臂旋转缸活塞杆缩回,机械臂顺时针转动;机械臂旋转过程中,Y A 1或Y A 2断电,机械臂停止在中间位置。Y A 4通电(Y A 3不得通电),升降缸活塞杆伸出下行;Y A 3通电(Y A 4不得通电),升降缸活塞杆缩回上行;升降缸活塞杆上行或下行过程中,Y A 4或Y A 3断电,升降缸活塞杆停止在中间位置。Y A 5通电,手指旋转缸活塞杆伸出,手指顺时针转动;YA5断电,手指旋转缸活塞杆缩回,手指逆时针转动。Y A 6通电,手指夹持缸活塞杆伸出,手指合拢夹持工件;Y A 6断电,手指夹持缸活塞杆缩回,手指松开放下工件。
4 可编程逻辑控制系统设计
4.1 机械手动作顺序
表1列出自动装配线上气动机械手的动作顺序,每一动作的指令信号元件及输出电磁铁通电状态改变情况,用作P L C设计编程的依据。
4.2 PLC的选型及I/O接线图
气动装配机械手的控制系统采用P L C控制。机械手有7个电磁铁,13个接近开关,2个按钮。此外,为了动态显示每一工序的运行状态,每一个工序对应有一盏指示灯显示,工序1~19对应指示灯HL1~HL19,工序21对应指示灯HL20,全部指示灯选用24VDC。整个系统有15点输入,27点输出,全部为开关信号,因此选用PLC型号为三菱FX2N-64MR-001,其有32点I/O,满足系统要求。图4为I/O接线图。
4.3 PLC程序流程图
PLC程序流程图如图5所示。三菱PLC编程采用步进指令,程序流程图方便直观,容易修改。
5 结论及展望
本设计是将PLC技术和气动机械手应用于装配自动线。初步运行实践证明,系统工作的可靠性、灵活性、可扩展性等均有明显提高。气压传动机械手是以压缩空气的动力实现机械手的动作,其主要特点是介质来源极为方便、动作迅速、结构简单、成本低等。以P L C为控制核心的气动机械手在机械制造自动化的应用前景十分广阔。
参考文献
[1]吴卫荣.气动技术[M].北京:中国轻工业出版社,2007:190-195
关键词 高职 液压 气动 课程 教学设计
由于液压传动和气压传动在各行业越来越普及，先进国家生产的工程机械、数控机床、自动生产线等90%以上都是采用的液压传动或气压传动的。客观上要求高职相关专业的学生必须掌握液压与气动技术。因此《液压与气动技术》课程被大多数的高职电气自动化技术和机电一体化专业列为核心课程。机械制造和数控等机械类专业也把它列为必修课程之一。如何让学生能在较短的时间内能掌握液压与气动技术的相关知识，形成液压与气动操作的安全意识和职业道德意识，具备相应的液压与气动操作技能，是该课程教师和学生努力的出发点和落脚点。为了达到这一目标，根据《教育部关于深化职业教育教学改革全面提高人才培养质量的若干意见》和自动化类、制造类的相关专业教学标准要求，结合作者多年来从事该门课程教学的经验，在对液压与气动技术课程的结构体系和教学内容进行深入研究的基础上，对《液压与气动技术》课程教学进行了全新的整体设计。
《液压与气动技术》课程教学整体设计的内容包括设计依据、教学目标、学习资料、教学团队、教学准备、教学内容、教学的组织与方法、考核评价、教学反馈。
一、设计依据
教育部关于“十二五”职业教育教材建设的基干意见》、《机电一体化技术专业人才培养方案》、《电气自动化技术专业人才培养方案》《机械制造与自动化技术专业人才培养方案》和这些专业的《液压与气动技术课程准》。
二、教学目标
1、知识目标：（1）液气压传动的工作原理、液气压传动的组成、液压系统图、职能符号、优缺点等； （2）液压传动基础中液压油的性质及选用，液体静力学和动力学基础；管路液体的压力损失计算等； （3）具有液压元件结构、原理、功用、拆装、选用及控制维护能力； （4）具有气压元件结构、原理、功用、选用及控制维护能力； （5）具有液压基本回路设计、连接、调试维护能力； （6）具有综合设计和控制维护液压基本回路能力； （7）具备对项目设计进行总结、整理、归纳的书面表达及口头表达能力； （8）培養学生查阅手册、检索资料的能力。
2、能力目标：
（1）通过实物拆装可以锻炼学生的拆卸、装配能力，掌握元件各个部件之间的装配顺序、定位要求，部件的加工间隙、加工精度等知识。 （2）具有检测，调试，维护常见机械设备液压系统的能力； （3）具有设计一般复杂程度的液压系统的综合能力； （4）参与诊断并排除工程机械常见的液压气压故障的初步能力。
3、方法能力和社会能力目标：
（1）培养学生逻辑思维能力与发现问题和解决问题的能力，使学生从习惯思维中解脱出来，引导启发学生的创造性思维能力。 （2）培养学生刻苦钻研的学习态度，善于思考的学习方法，脚踏实地的工作作风。 （3）使学生具备在专业方面可持续发展的能力。 （4）使学生具备正确的价值观与评定事物的能力。 （5）使学生具备良好职业道德和诚信的与人交往沟通的能力。 （6）培养学生爱岗敬业、团结协作、吃苦耐劳的职业精神与创新设计意识。
三、学习资料
1、教材：
《液压与气动技术》（第四版）、邹建华主编，华中科技大学出版社、2014.9
2、参考资料：
《液压与气压传动》，左健民主编，机械工业出版社，2012.5
《液压与气动技术》（第三版），张宏友主编，大连理工大学出版社、2009.2
3、拓展性学习材料：
《液压工程手册》 雷天觉主编 机械工业出版社 2005年
《实用液压机械故障排除与修理大全》 陆望龙主编 湖南科学技术出版社 2006年
四、课程教学团队
课程教学团队由课程负责人、团队成员和企业专家组成。
（1）课程负责人：
课程负责人应熟悉液压与气动控制技术。熟悉高职教育规律，实践经验丰富，教学效果好，在本领域有一定影响，具备操作、维护、设计大型机床、大型工程机械控制设备的能力，具有高级职称的“双师”素质教师。
（2）教师专业背景与能力要求：
主讲教师：机电技术专业或相关专业毕业，具备中级以上职称，从事本专业教学工作5年以上。
兼职教师：机电一体化技术或相关专业毕业，在液压或气动相关行业工作5年以上，具备大型工程机械控制系统设备维护、设计能力。
（3）企业专家：
在液压与气动技术行业有一定的知名度，具备操作、维护、设计大型机床、大型工程机械控制设备的能力，具备高级技师或技师职称。
五、教学准备
1、教室：
多媒体教室（含计算机、投影仪等设备）、液压与气动仿真实训室。
2、实训条件：
液压与气动技术仿真实训室配置（表1）。
六、教学单元（模块）及内容（表2）
七、教学的组织与方法
1、直观教学法。在课堂上尽量采用实物、图片、动画演示等方法，将复杂的原理用简单的、感性的方法展现出来。
2、参与式教学、体验式学习 以学生为中心强调行动学习，“在做中学”。 以实训开始，先行后知的 “在做中学”，采用边提问、边实践、边讲解及指导的方法， 在“学”中“做”。
3、讨论交流法。课程教学中，经常将关键工业应用技术拿出与学生讨论，让每个学生积极参与，给学生机会发表自己的意见。
4、激励教学法。实训过程中，经常采用小组之间竞赛的方法，竞赛的结果记入考核成绩。鼓励团队合作精神和培养创造性解决问题的能力。
八、考核与评价
改革考核手段和方法，制定工学结合的课程学习阶段的考核量化标准，按量化指标对过程和结果实施考核。课程总体上以理论考试成绩占60%，学习活动过程占40%组成。在工作学习过程中关注学生动手能力和实践中分析和解决问题的能力，对在学习和应用上有创新的学生、对参与技能竞赛并取得较好成绩的学生应给予加分奖励。
九、教学反馈
本课程主要采用以下方法进行教学反馈，从而了解了解学生的学习情况，发现学生存在的问题，尽快地找出原因，研究对策加以解决。
（1）课程组老师常规教学提问反馈；
（2）召开学生坐谈会反馈；
（3）根据学生实训结果反馈；
（4）问卷调查反馈。
由于《液压与气动技术》课程教学整体设计是在对液压与气动技术课程的结构体系和教学内容进行深入研究的基础上，根据《教育部关于深化职业教育教学改革全面提高人才培养质量的若干意见》和自动化类、制造类的相关专业教学标准要求提出的，考虑问题较为全面，并且非常切合实际，实施起来不仅方便而且可行。经过几年的实施，取得了较为明显的效果。大部分学生达到了能在较短的时间内能掌握液压与气动技术的相关知识，形成液压与气动操作的安全意识和职业道德意识，具备相应的液压与气动操作技能的目的。说明《液压与气动技术》课程教学整体设计是可行的，能够满足《液压与气动技术》课程教学要求，值得推广。
参考文献：
[1] 邹建华.液压与气动技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2014.
[2] 张宏友.液压与气动技术[M].大连：大连理工大学出版社，2009.
混合遗传算法及其在翼型气动[1*9/9]多目标优化设计中的应用
把基于实数编码的自适应遗传算法(SAGA)与可变容差法相结合,建立了数值优化设计中的混合遗传算法(HGA),并将其与翼型的气动分析相结合进行跨声速翼型的单目标和多目标气动优化设计.与自适应遗传算法相比,混合遗传算法的优化质量略有改善,优化效率有明显的`提高.优化结果表明混合遗传算法在翼型单目标和多目标气动优化设计中是十分有效的.
作 者：王晓鹏 作者单位：西北工业大学刊 名：空气动力学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERODYNAMICA SINICA年，卷(期)：19(3)分类号：V211.1关键词：混合遗传算法 跨声速翼型 气动优化设计
气动马达特性：
1、使用压缩空气为动力，安全防爆，不产生静电、火花。
2、可以无级调速，马达的转速通过供气的压力，流量调节。
3、无超载危险，马达负载过大，不会对马达本身产生损毁，本体温度也不会上升。
4、可以长时间满载连续工作。
5、双向旋转，可实现正逆转功能
6、操作方便，维护检修简单 工作流体：压缩空气
使用压力： 6 kg /cm2(85 PSI)
最大使用压力： 8 kg /cm2(115 PSI)
环境适温度：-10 ~ +120C
国内品牌有德斯威
气动马达是一种作连续旋转运动的气动执行元件，是一种把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量转换装置，其作用相当于电动机或液压马达，它输出转矩，驱动执行机构作旋转运动。在气压传动中使用广泛的是叶片式、活塞式和齿轮式气动马达。可广泛应用于小型搅拌输料系统，200L以内非常合适。※活塞式气动马达的工作原理
主要由：马达壳体、连杆、曲轴、活塞、气缸、配气阀等组成。压缩空气进入配气阀芯使其转动，同时借配气阀芯转动，将压缩空气依次分别送入周围各气缸中，由于气缸内压缩空气的膨胀，从而推动活塞连杆和曲轴转动，当活塞被推至“下死点”时，配气阀芯同进也转至第一排气位置。经膨胀后的气体即自行从气缸经过阀的排气孔道直接排出。同时活塞缸内的剩余气体全部自配气阀芯分配阀的排气孔道排出，经过这样往复循环作用，就能使曲轴不断旋转。其功主要来自于气体膨胀功。
Piston pneumatic motor principle of work Mainly consists of: motor shell, connecting rod, crankshaft, piston and cylinder, valve, etc.Compressed air into the air with its core, with rotation by air, will be the core of compressed air into the surrounding air cylinder respectively, due to the expansion of compressed air in cylinder, so as to promote the piston and crankshaft connecting, when the piston is pushed down dead spots ", with the core with air exhaust to first place.The expansion of the gas automatically from the exhaust duct cylinder valve directly after discharge.While the residual gas piston cylinder valve core with all the vent duct, corundum, through such reciprocating cycle can make the crankshaft constantly rotating.Its function mainly comes from the gas expanding power.※叶片式气动马达的工作原理
如图所示是双向叶片式气动马达的工作原理。压缩空气由A孔输入，小部分经定子两端的密封盖的槽进入叶片底部(图中未表示)，将叶片推出，使叶片贴紧在定子内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上。由于两叶片伸出长度不等，因此，就产生了转矩差，使叶片与转子按逆时针方向旋转，作功后的气体由定子上的孔B排出。
若改变压缩空气的输入方向（即压缩空气由B孔进入，从孔A孔排出）则可改变转子的转向。
图-1双向旋转的叶片式马达
(a)结构；(b)职能符号
Vane pneumatic motor principle of work
As shown is two-way vane pneumatic motor principle of work.Compressed air from A small hole, the input of the stator slots on both ends of the hermetic seal(FIG leaf base into not), will adhere to leaf blade on the wall of the stator, compressed air into the corresponding seal space and function in two blades.Because the two blades, therefore, stretch produced the torque, according to the rotor blades and reactive counter-clockwise after gas holes in the stator by B.If the change of compressed air input direction(i.e.by compressed air into the hole hole, B)is A hole can be changed from the rotor turning.※叶片式气动马达的工作原理
气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀作用，把压力能转换为机械能的动力装置。
各类型式的气马达尽管结构不同，工作原理有区别，但大多数气马达具有以下特点：
1.可以无级调速。只要控制进气阀或排气阀的开度，即控制压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速。便可达到调节转速和功率的目的。
2.能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小。气马达换向工作的一个主要优点是它具有几乎在瞬时可升到全速的能力。叶片式气马达可在一转半的时间内升至全速；活塞式气马达可以在不到一秒的时间内升至全速。利用操纵阀改变进气方向，便可实现正反转。实现正反转的时间短，速度快，冲击性小，而且不需卸负荷。
3.工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。
4.有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，马达只是转速降低或停止，当过载解除，立即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载连续运转，温升较小。
5.具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。可以带负荷启动。启动、停止迅速。
6.功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟万转。
7.操纵方便，维护检修较容易 气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。
8.使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无污染 压缩空气可以集中供应，远距离输送
由于气马达具有以上诸多特点，故它可在潮湿、高温、高粉尘等恶劣的环境下工作。除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外，船舶、冶金、化工、造纸等行业也广泛地采用。
气动马达air motor是防爆电机的最佳代替品除了标准型号, 我们还有配备减速机的气动减速马达型号, 减速比从10:1至60:1。
特点包括:
1)可变转速;
2)防爆选型指导
功率-P, 扭矩-M, 转速-n，P-M-n三者的近似关系：
扭矩-转速曲线:负直线(系数近似恒定)；功率-转速曲线:抛物线(开口向下)；略...选择欧博气压马达的一般方法：
1、近似选择接近要求参数的欧博马达系列、型号；
2、查看所选气压马达的特征图(曲线图)，进一步核对所选马达型号是否合适，选择最优工作点；
3、考虑假如调节气源，所选马达是否能输出需求的参数；
4、核对马达尺寸，选择安装形式，输出轴形式；
5、核算输出轴的受力是否合适；
6、考虑其他方面(根据具体情况个别考虑)：...。
对于工作过程扭矩、转速基本稳定的应用: 略...对于工作过程负载(扭力)或转速发生较大变化的应用： ●
气动马达选型参考：
选择气马达的主要参数是：功率-P 扭矩-M 转速-n 实际工作状态下：P(瓦)= M(牛米)X n(转/分钟)X 0.105
选择TSA气压马达的一般方法是：(适用于：工作过程扭矩、转速基本稳定的应用)对于工作过程负载(扭力)或转速发生较大变化的应用(比如，拧紧机用马达)，按以下方法选择： 解释：
P-M-n三者的近似关系：
扭矩-转速曲线：负直线(系数近似恒定)，功率-转速曲线: 抛物线(开口向下)；
转速n = 0 时(开始启动)，功率P急剧上升，扭矩
M = 启动扭矩(约等于最大扭矩的80%)；
转速n = 大约是最大转速一半时(最大功率转速)，功率P = 最大值(最大功率)，扭矩M下降到 = 最大扭矩的50%-70% = 最大功率扭矩；
转速n = 若转速继续升高(负载比较小，接近空载)，扭力下降，到最大转速(此时是空载转速)，功率P很小，扭力M很小；
若负载扭矩比较大，则马达转速下降，当负载扭力大于或等于马达的停转扭力(即最大扭力)，马达失速停转。
气动马达分为单向及双向两种形式。对于单向气动马达只需开闭进气口即可控制马达的转动和停止。
双向气动马达有两个进气口，一个主排气口。马达工作时从一个进气口进气，则另一进气口为副排气口，若需马达旋转方向改变时，只需将进气口与副排气口交换位置即可，所以选用的控制阀必须具备上述功能才能使马达正常工作。建议选用三位四通阀或三位五通阀。在进行管道布置时，气源与气马达之间的管道通径（包括管道附件、控制阀、油雾器等）均不得小于与马达相适应的最小内径，且管道不得有严重的节流现象。管道接头处应牢固、密封、不得有泄漏现象，否则气动马达达不到应有的工作性能。
如图所示为叶片式气动马达结构原理图。主要由定子、转子、、叶片及壳体构成。在定子上有进一排气用的配气槽孔。转子上铣有长槽。槽内装有叶片。定子两端盖有密封盖。转子与定子偏心安装。这样，沿径向滑动的叶片与壳体内腔构成气动马达工作腔室。
气动马达工作原理同液压马达相似。压缩空气从输人口A进入。作用在工作室两侧的叶片上。由于转子偏心安装，气压作用在两侧叶片上产生的转矩差，使转子按逆时针方向旋转。当偏心转子转动时，工作室容积发生变化，在相邻工作室的叶片上产生压力差，利用该压力差推动转子转动。作功后的气体从输出口排出。若改变压缩空气输入方向，即可改变转子的转向。
图a所示叶片式气动马达采用了不使压缩空气膨胀的结构形式，即非膨胀式，工作原理如上所述。图b所示叶片式气动马达采用了保持压缩空气膨胀行程的结构形式。当转子转到排气口C位置时，工作室内的压缩空气进行一次排气，随后其余压缩空气继续膨胀直至转子转到输出口B位置进行二次排气。气动马达采用这种结构能有效地利用部分压缩空气膨胀时的能量，提高输出功率。非膨胀式气动马达与膨胀式气马达相比，其耗气量大，效率低；单位容积的输出功率大，体积小，重量轻。
叶片式气动马达一般在中、小容量及高速回转的范围使用，其耗气量比活塞式大，体积小，重量轻，结构简单。其输出功率为0.1—20kW，转速为500～25000r／min。另外，叶片式气马达启动及低速运转时的特性不好，在转速500r／min以下场合使用，必需要配用减速机构。叶片式气动马达主要用于矿山机械和气动工具中。
※气动马达的应用
【气动机械手教学设计】推荐阅读：
液压与气动技术教学09-07
液压与气动复习题06-24
气动工具的保养及维护07-24
机械设计思路07-24
机械设计制造06-11
机械课程设计心得06-21
机械设计研发简历09-15
机械创新设计课程设计07-13
机械效率教学案05-26
机械设计观后感06-16
