气动机械手设计说明书解读

目录
气动机械手及继电器控制系统设计 (2)
第一章绪论 (2)
1.1 气动机械手概括 (2)
1.2 机械手的构成和分类 (3)
1.2.1 机械手的构成 (3)
1.2.2 机械手的分类 (3)
1.3 课题的提出及主要任务 (5)
第 2 章继电器硬件系统设计 (6)
2.1 系统剖析 (6)
2.2 方案确立 (7)
2.3 元器件介绍 (7)
第三章软件系统设计 (12)
3.1 控制方案的确定 (12)
3.2 工作过程 (14)
第四章调试过程 (17)
第五章设计总结 (21)
第六章附图 (23)
6.1 三维零件图： (23)
6.2 三维装置图： (24)
第七章参照文件 (26)
气动机械手及继电器控制系统设计
第一章绪论
1.1 气动机械手概括
气动机械手由操作机 ( 机械本体 ) 、控制器、驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、
可重复编程、能在三维空间达成各样作业的机电一体
化设施。

特别合适于多品种、变批量的柔性生产。

它
对稳固、提升产质量量，提升生产效率，改良劳动条
件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机械
手是模拟着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要
务实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工
业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产
中应用机械手能够提升生产的自动化水平易劳动生产率: 能够减少劳动强度、保证产质量量、实现安全生产 ; 特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒
气体和放射性等恶劣的环境中，它取代人进行正常的
工作，意义更为重要。

所以，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热办理、电镀、喷漆、装置以及轻工业、
交通运输业等方面获取愈来愈宽泛的引用. 机械手的构造形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床
的上下料装置，是隶属于该机床的专用机械手。

跟着
工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现
重复操作，合用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

因为通用机械手能很快的改
变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品
种的中小批量生产中获取宽泛的引用。

1.2 机械手的构成和分类
1.2.1 机械手的构成
机械手主要由履行机构、驱动系统、控制系统以
及地点检测装置等所构成。

各系统互相之间的关系
如方框图 1-1 所示。

图 1-1 机械手构成方框图
1.2.2 机械手的分类
工业机械手的种类好多，对于分类的问题，当前
在国内还没有一致的分类标准，在此暂按使用驱动
方式进行分类。

按驱动方式分
1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动履行机构运动的机械手。

其主要特色是 : 抓重可达几百公斤以
上、传动安稳、构造紧凑、动作敏捷。

但对密封装置要求严格，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采纳电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执
行机构运动的机械手。

其主要特色是 : 介质李源极为方便，输卖力小，气动动作快速，构造简单，成本低。

但是，因为空气拥有可压缩的特征，工作速度的稳固
性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重一般在30 公斤以下，在相同抓重条件下它比液压机械手的构造大，所以合用于高速、轻载、高平易粉尘大的环境中
进行工作。

3、机械传动机械手即由机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等) 驱动的机械手。

它是一种隶属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机
械传达的。

它的主要特色是运动正确靠谱，用于工作
主机的上、下料。

动作频次大，但构造较大，动作程
序不行变。

4、电力传动机械手即有特别构造的感觉电动机、
直线电机或功率步进电机直接驱动履行机构运动的械
手，因为不需要中间的变换机构，故机械构造简单。

此中直线电机机械手的运动速度快和行程长，保护和
使用方便。

此类机械手当前还不多，但有发展前程。

1.3 课题的提出及主要任务
本课题拟使用继电器设计控制电路，采纳气压传动，经过控制四个电磁阀线圈的得失电，从而切换压缩空
气出入气缸的方向，实现多个不一样的动作。

本课题将要达成的主要任务以下:
(1)进行气动机械手的整体研究，并进行整体运
动方式设计，提出不一样的控制方案，并综
合各方面要求选择最优方案；
(2)进行气动机械手气路设计，绘制电气原理图；
(3)设计继电器控制线路，绘制控制系统原理图；
（4）依据控制原理图和电气原理图进行现场调
试，对换试中出现的问题认真剖析，多方
咨询研究，并进行详尽记录。

第 2 章继电器硬件系统设计
2.1 系统剖析
该机械手有四个履行元件，可分别履行不一样的动作，气缸 A 能够实现机械手的正反转，气缸 B 能够实现机械手立柱的上涨降落运动，气缸 D 能够实现机械手手臂的伸缩运动，气着手爪 C能够实现抓料和松料动作。

我们要经过控制这四个履行元件的运动，实现搬运工
件的目的。

挨次要实现的动作过程是：立柱反转→手
臂伸出→立柱上涨→加紧工件→手臂缩回→立柱降落
→立柱正传→手臂伸出→松动工件→手臂缩回。

想要
挨次达成这几个动作，一定协调四个气缸的气流换向，且每次只要一个气缸换向。

图 2.1 气动机械手系统原理图
2.2 方案确立
方案一：经过多个电磁换向阀之间的配合，利用X-D 线图法设计气动机械手的气动回路。

方案二：利用四个电磁换向阀控制四个气缸的换向，
利用沟通继电器KM 和中间继电器KA 和时间继电器
KT 设计控制电路来控制四个电磁换向阀挨次换向以
达到十个动作挨次达成。

依据实验室的电磁换向阀的数目有限而继电器的数
目足够考虑，采纳方案二进行系统设计。

2.3 元器件介绍
（1）时间继电器 KT：
主要功能：时间继电器的主要功能是作为简单程序控制中的一种履行器件，当它接受了启动信号后开始计时，计时结束后它的工作触头进行开或合的动作，从而推进后续的电路工作。

一般来说，时间继电器的延时性能在设计的范围内是能够调理的，从而方便调整它的延不时间长短。

单凭一只时间继电器唯恐不可以做到开始延时闭合，闭合一段时间后，再断开，先实现延时闭合后延时断开，但整体上说，经过配置必定数目的时间继电器和中间继电器都是能够做到的。

使用环境：时间继电器作为自动控制器件应用较宽泛，特别是在波及低压电器控制
网络中有许多电器设施环境中使用时电磁扰乱问题更趋于严重。

构成时间继电器的内部元器件的破坏这时已不是惹起时间继电器故障（无效）的主要原由，而在于应用处合中的各样扰乱经过电磁耦合、电容耦合直接进入时间继电器，扰乱其正常的延时控制。

时间继电器在此扰乱环境下可否正常工作常常会影响到整个自动控制系统的正常逻辑功能，甚至还可能造成大的质量事故和经济损失。

所以时间继电器在各样恶劣环境都应有较高的靠谱性和抗扰乱能力，也就是说时
间继电器一定有优秀的电磁兼容性能，只有这样才能
完美其产质量量，提升自己的市场竞争能力。

接线方法：时间继电器的电气控制系统中是一
个特别重要的元器件。

一般分为通电延时和断电延时
两种种类。

从动作的原理上有电子式、机械式等。

电子式的是采纳电容充放电再配合电子元件的原理来实
现延时动作。

机械式的款式许多，有益用气囊、弹簧
的气囊式。

工作原理：计时无效时期，相当于平时电灯开关
断开状态。

有效时，继电器动作，用电器得电工作，相当于平时电灯开关接通状态。

本次使用的是温州沪瓯电气有限企业所生产的数
显型时间继电器，专利编号为 200420089705 7. 拥有调时方便，延时精确等长处。

（2）电磁换向阀
电磁阀（Electromagnetic valve ）是用电磁控制的工业设施，是用来控制流体的自动化基础元件，属于履行器，其实不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其余的参数。

电磁阀能够配合不一样的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵巧性都能够保证。

电磁阀有好多种，
不一样的电磁阀在控制系统的不一样地点发挥作
用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速
度调理阀等。

工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在不一样地点开有通孔，每个孔连结不一样的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，经过控制阀体的挪动来开启或封闭不一样的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不一样的排油管，而后经过油的压力来推进油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。

这样经过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

主要特色： 1、外漏堵绝，内漏易控，使用安全;
2、系统简单，便接电脑，价钱便宜
3、动作快递，功率细小，外形轻盈
4、调理精度受限，合用介质受限
5、型号多样，用途宽泛
本次设计采纳的是编号为SY5120-5DZ-01的电磁换向阀。

（3）气动三联件
在气动技术中，将空气过滤器、减压阀和油雾器三
种气源办理元件组装在一同称为气动三联件，用以进
入气动仪表之气源净化过滤和减压至仪表供应
额定的气源压力，相当于电路中的电源变压器的功
能。

特色 : 空气过滤减压阀设计轻小，安装方便，所以，它与气动变送器，气动调理器等产品安装在一同配套使用。

若将空气过滤器的减压阀设计成一个整体，成为二联件。

气源办理三联件包含空气减压阀、过滤器、油雾器三大件，减压阀可对气源进行稳压，负气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或履行器等硬件的损害。

过滤器用于对气源的洁净，可过滤压缩空气中的水份，防止水份随气体进入装置。

油雾器可对机体运动零件进行润滑，能够对不方便加润滑油的零件进行润滑，大大延伸机体的使用寿命。

注意事项
1、部分零件使用 PC 材质，严禁靠近或在有机剂
环境中使用。

PC 杯冲洗请用中性冲洗剂。

2、使用压力请勿超出其使用范围。

3、当出口风量显然减少时，应实时改换滤芯。

本次设计采纳的是编号为AF2D-01 型气动三联件。

第三章软件系统设计
3.1 控制方案的确定
鉴于前方的硬件系统设计，采纳两个时间继电器
KT1和 KT2，分别控制机械手夹紧工件和松动工件的时间。

依据现场的测试结果， KT1 和 KT2 的准不时间均设置为 5S。

经过多次测试改正，我们最后确立电气控制原理图如图 3.1 所示，气动原理图如图 3.2 所示，动作次序图如图 3.3 所示。

其元器件的功能以下： SB1—停止按钮，SB2—启动按钮，SQ1—立柱反转行程开关，SQ2—立柱正转行程开关，SQ3—手臂伸出行程开关，
SQ4—手臂缩回行程开关， SQ5—立柱上涨行程开关，SQ6—立柱降落行程开关。

图 3.1 电气控制原理图
图 3.2 气动回路原理图
元件YA1 YA2 YA3 YA4
动作
立柱反转+ _ _ _
手臂伸出+ + _ _
立柱上涨+ + + _
夹紧工件+ + + +
手臂缩回+ _ + +
立柱降落+ _ _ +
立柱正转_ _ _ +
手臂伸出_ + _ +
松动工件_ + _ _
手臂缩回_ _ _ _
图 3.3 动作次序图
3.2 工作过程
一.按下启动按钮 SB2
(1)中间继电器K1 得电，其常开协助触点闭合，实
现自锁功能，并且其常开主触点也闭合， YA1
线圈得电，电磁阀 1 右位导通，立柱反转。

(2)当立柱反转碰到行程开关 SQ1，SQ1 常开触点
闭合，中间继电器 K21 得电，其常开触点闭合，中间继电器 K2 得电， YA2线圈得电，电磁阀 2
右位导通，手臂伸出。

(3)当手臂伸出碰到行程开关SQ3，SQ3 常开触点闭
合，中间继电器K3 得电，其常开主触点闭合，YA3线圈得电，电磁阀 3 右位导通，立柱上涨。

(4)立柱上涨碰到行程开关SQ5，SQ5 常开触点闭
合，中间继电器K4 得电，K4 常开触点闭合自
锁，并且YA4线圈得电，电磁阀4 右位导通，
机械手开始夹紧工件。

(5)同时， K4 常开触点闭合，时间继电器 KT1线圈
得电。

(6)时间继电器 KT1的常开触点延时 5S 后闭合，中
间继电器 K5 得电，其常开触点闭合自锁，其常
闭触点断开， K21 失电， K21 常开触点断开，
K2 失电，从而使 YA2线圈失电，电磁阀 2 答还
原位，手臂缩回。

(7)当手臂缩回碰到行程开关 SQ4，SQ4 常开触点闭
合，中间继电器K6 得电，其常闭触点断开，K3 失电，使 YA3线圈失电，电磁阀 3 答还原位。

立柱降落。

(8)立柱降落碰到行程开关 SQ6，SQ6 常开触点闭
合，中间继电器 K7 得电，其常闭触点断开， K1
失电，使 YA1线圈失电，电磁阀 1 答还原位，立
柱正转。

(9)当立柱正转碰到行程开关SQ2，SQ2 常开触点
闭合，中间继电器K22 得电，K22 常开触点闭
合， K2 得电， YA2线圈得电，电磁阀 2 右位导
通，手臂伸出。

(10)手臂伸出碰到行程开关 SQ3，中间继电器 K8 得
电，K8 常开触点断开， K4 失电，其常开触点断
开， YA4 线圈失电，电磁阀 4 答还原位，机械
手松动工件。

(11)同时，K8 常开触点闭合，时间继电器 KT2得电。

(12)时间继电器KT2的常开触点延时5S 后闭合，中
间继电器 K9 得电，其常闭触点断开，K22失电，
K22 常开触点断开， K2 线圈失电，使 YA2线圈
失电，电磁阀 2 答还原位，手臂缩回。

二.按下停止按钮 SB1，控制线路失电，电磁阀所有
答还原位。

第四章调试过程
气动机械手的调试是一个有着过渡作用并且十分重
要的环节。

它不单要对以前整个电路的气动原理
图，电气原理图，以及各气动元器件有深刻的认
识，也需要知道继电器回路的控制系统怎样运作以
及正确的接线方式。

我们的最后控制方案更是在调
试中，不停优化得来的。

实验室里的机械手有 4 个气缸，分别是正反转气缸，伸缩气缸，起落气缸和夹紧放松气缸。

我们需要 4 个二位五通的电磁阀，来分别控制各个气缸的出入气。

我们此次设计的机械手需要完建立柱反转-手臂伸出 -立柱上涨 -夹紧工件 -手臂缩回 -立柱降落 -立柱正传 -手臂伸出 -松动工件 -手臂缩回这一系列动作。

经过几日的整理后我们把自己的电路图给老师看了，因为设计的电路图有点复杂，所以老师让我们在调
试过程中选择简单的 4 个动作的调试，即机械手立
柱的反转，手臂伸出，立柱上涨，夹紧工件。

这也
让我和小伙伴们轻轻地舒了口气。

但是事实并无我们想象的那么简单。

因为很多队伍
接线时都需要用到工作台上的电气控制线路，好多
时间我们都浪费在了等人上，可是时间挤挤就有
了，我和队友们仍是掌握了许多机遇。

在保证电路
图是正确后，我们开始了用继电器控制的气动机械
手调试。

自然第一接线是至关重要的。

气泵的气管
都要接到不一样的电磁阀出入气口上以及机械
手 4 个气缸的8 个出入气口。

机械手的6 个限位开关都需要连到工作台的控制线路上，工作台上则需要一个停止按钮，一个启动按钮， 4 个继电器，以及几个
重要触点，同时触点与电磁阀的得失电接口相连结。

以前接触连线这块也少，所以我们一开始仍是碰到了许多问题。

我们依据接线规范的操作，按着电路图都完好的连好了线，按下气动按钮，但是发现机械手不可以动，认真查察后发现是机械手地点的初始状态不对，针对初始状态，我和小伙伴们可花了许多心思。

翻开气泵，气管通气后，传到机械手气缸里，机械手会有一个初始状态。

依据我们需要进行的动作，一开始机械手立柱正转到极限，手臂要缩
回究竟，立柱是降落的同机遇械爪要松开，这 4 个动作都需要气缸 8 根气管来控制，一次次的试试，
检查进气仍是出气。

并且我们还要保证立柱极限地点的气管要保持通的状态，不可以封闭，不然机械
手动不起来。

刚开始，我们的机械手只好立柱反转，不可以进行下
一个动作。

每次出了问题，我们都需要去找出来并
且更正。

电磁阀的信号灯能否亮也是说了然我们的
动作能否能顺利走到下一步。

因为我们设计的机械
手一套动作达成的比较快，好多时候电磁阀的信号
灯有没有亮都不漂亮出来，所以我们的方法是翻动
工作台控制电路，通上电源，但是不通气，我们手
动来检盘问题所在。

把机械手反转，碰到限位开关
后看灯能否有亮，假如亮了，则能进行下一步动作
手臂伸出，假如没亮，说明阀的接口接线不对。

同理，一步一步检查灯能否有亮，要保证每次要进行
下一个动作时，信号灯都能亮，这样才能达成这 4 个动作。

有好几次，机械手立柱上涨时总是卡在中间或是升
不上去，致使我们的机械手的气着手爪根本不可以
进行夹紧动作。

剖析后，我们感觉一方面原由是立
柱自己缺乏润滑，另一方面，机械手设计自己问题，或许说是第三个限位开关地点不正确。

立柱上
涨的时候根本碰不到那个限位开关，充气时立柱能
上涨到最高状态，但是限位开关的指示灯以及二位
五通的信号灯完好不亮。

我们都用力的把立柱往上提，想把它升到最高处，结果适得其反。

经过思虑后，我们决定把那个限位开关改成了时间继电器，
即在
中间继电器后边连结一个时间继电器，这样不需要升到最高地点，在控制立柱的线圈得电时，时间继电器就会接通，延时 3 秒后，时间继电器常开触点接通，就会接通下一个动作，气着手爪开始夹紧，这样一来，几个完好的动作都能实现了。

调试不是简简单单就能达成的，除了正确的操作规范，我们还需要实事求是，谨小慎微，敢于探究的精神。

在碰到问题时，我们要沉着并实时找出问题所在，和伙伴们一同合作，一同达成调试，最后让机械手真实动起来，这类收获与目标的实现是值得我们骄傲的。

对于此次调试，我的确学到了好多。

一个最简单的动作或许包含了你想不到的难度，我们需要认真对待每一次实验，把这些经历当作是对自己的磨砺。

每一次小的成功都是对大目标的再一次挑战，不论是此刻的实验调试，仍是在此后，我们需要做的就是脚扎实地走好每一步，用自己的汗水勤劳的双手努力，朝着梦想行进。

第五章设计总结
此次实验考验我们大学这几年来的所学，它要求我们将大学这几年来所学的知识能够举一反三、娴熟应用，并要求我们能够理论联系实质，培育我们的综合运用能力以及解决实质问题的能力。

刚接到实验时，我们是一头雾水，不知道该怎样下手。

此后经过郑老师的解说，我们对这个实验有了一个大概的理解。

接下来我们就开始画接线图，接线图画出来此后，给老师看过感觉能够后，我们就开始对硬件进行连结。

接下来我们就开始不停的进行调试，最后在老师的指导下我们获取了最后的成功。

系统的剖析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探究的过程。

在这过程中，我对利用继电器等控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的剖析与设计有了亲身的认识和领会，并在学习和实践过程中增加了不过，丰富了经验。

控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，一定严格依据系统剖析、系统设计、系统实行、系统运转与调试的过程来进行。

系统的剖析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。

在设计过程中，要边学习，边实践，碰到新的问题
就不停探究和努力，即可使问题获取解决。

同时，在本次设计中，也深刻领会到理论与实践相联合的重要性只有理论知识是远远不够的，固然以前采集了大批的资料但在实质应用中却有很大差别，出现了好多意想不到的问题，只有把所学的理论知识与实践相联合起来，从理论中得出结论，才能真实为社会服务，从而提升自己的实质着手能力和独立思虑的能力。

经过查资料，剖析资料及讨教老师和同学等门路，在全组同学的努力和合作下，经过了长时间的探究我们最后仍是设计出了达到要求的系统。

但是因为时间紧急，有些设计工作还有待完美，在此后的工作中我们会持续努力，不停提升自己的技术水平，以适应将来的强烈竞争局势。

一个人要不停的否认自己，不停战胜自己，不停超越自己，不停完美自己，这样才能不停进步，总之，经过此次实验，我们学到了好多东西，不测收获也很大，不单进一步学习了继电器控制的重要性和困难性，同时还加强了我们的着手能力，能把我们所学到的书籍知识应用到实践中去，此刻看到硬件不再是无眉目的了，对继电器和电磁阀也有了认识，同时学习惯动控制的机械手对我真的很实用，此刻
自动化与我们的生活息息有关，可是，经过前方的一些努力以后，我们也有信心，有能力去把它达成的更为完满。

最后，感谢郑老师对我们仔细的指导，正因为你细
心的指导，我们才得以在这么快的时间达成此次课程设计！
第六章附图
6.1 三维零件图：
6.2 三维装置图：
第七章参照文件
【1】史国生 .电气控制与可编程控制器技术 .北京：化学工业第一版社， 2010.
【2】许福玲，陈尧明 .液压与气压传动 .北京：机械工业第一版社， 2012.
【3】郑洪生 .气压控制与控制 .北京：机械工业第一版社 ,1992.
【4】张凤珊 .电气控制及可编程序控制器 .北京：中国轻工业第一版社， 2001.
【5】熊葵容 .电气逻辑控制技术 .北京：科学第一版社。

2002.
【6】王永华 .现代电气及可编程控制技术 .北京：北京航天工业第一版社， 2002.
【7】郑萍 .现代电气控制技术 .重庆：重庆大学第一版社 ,2001.
【8】大连理工大学工程图学教研室 .机械制图 .北京：高等教育第一版社 .
念书的利处
1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、念书破万卷，下笔若有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

——达尔文
5、少壮不努力，老大徒伤心。

6、黑发不知勤学早，白首方悔念书迟。

——颜真卿
7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自严寒来。

8、念书要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不行器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒弃。

——陈寿
11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。

——高尔基
14、书到用时方恨少、事非经过不知难。

——陆游
15、读一本好书，就好像和一个崇高的人在谈话——歌德
16、读全部好书，就是和很多崇高的人讲话。

——笛卡儿
17、学习永久不晚。

——高尔基
18、少而勤学，如日出之阳；壮而勤学，如日中之光；志而勤学，如炳烛之光。

——刘向
19、学而不思则惘，思而不学则殆。

——孔子
20、念书给人以快乐、给人以光彩、给人以才华。

——培根。