机械手的控制设计.doc

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1、. .摘要机械手是在自动化生产过程中开展起来的一种新型装置，广泛应用于工业生产和其他领域。可编程控制器PLC已在工业生产过程中得到广泛的应用。论文以西门子PLC为根底，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，设计了一套可行的机械手控制系统，并给出了详细的PLC程序。此机械运用到了步进电机、直流电机驱动和气压传动，能够使机械手满足控制要求。介绍了机械手的动作顺序及其应用PLC进展控制的设计方法，建立了相应的原理图，确定了PLC的输入输出量，建立了PLC控制的硬件接线图及相应的控制流程图。通过PLC的软件程序控制各电磁阀，驱动气缸动作，给出一定的脉冲驱动步进电机，从而控制机械手的动作。本课题拟开发的物

2、料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进展作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键字：机械手， PLC， 驱动此处贴章节题目：第一章 绪论1.1 研究背景1.2 研究目的和意义1.3国内外研究现状1.4研究内容第二章 相关理论概述2.1 机械手的定义及分类2.2 机械手的应用及组成机构2.3 机械手的开展趋势第三章 机械手的构造设计3.1 机械手的构造概述3.2 机械手的各局部构造3.3 本设计的总体要求第四章 机械手的硬件设计及驱动4.1气压传动4.2 步进电机的驱动4.3直流电机的驱动第五章 机械手的控制系统设计5.1 机械手的功能

3、介绍5.2 机械手的控制5.3 PLC的程序设计5.4 PLC程序设计的总结第六章 结论. .word. .第一章 绪论1.1研究背景随着现代工业技术的开展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作平安也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以防止一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、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

4、化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手开展较快，应用较多。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反响能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但假设有了传感反响自动，机械手就可以根据反响自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产本钱，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控

5、制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在较为复杂的环境下工作；具有编程简单，易于掌握；设计安装容易，维护工作量少；功能强、通用性好；开发周期短，功耗小等优点。本课题对现代工业的的开展具有很重要

6、的意义。可编程序控制器PLC控制的物料搬运机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。工业机械手是近几十年开展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手. .word. .是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其表达了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的开展前景。综上所述，有效地应用机械手是开展机械工业的必然趋势。1.2研究目的和意义随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械

7、手的诞生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性生产由人工操作环节，尤其是在一些危险性大的行业生产中应用较为实用，如化工生产有存在有毒物质的；如核电厂等存在放射性物质的地方；如烟花等易燃易暴的生产场合等生产环境非常适合使用机械手进展生产。在机械行业中铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机械手来搬运上下料材；机械零件的装配生产线中，利用机械手抓零件与另一零件装配在一起；如啤酒生产中用机械手把盖压在瓶子上等等。以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进平安生产、提高产

8、品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。1.3国内外研究现状机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的开展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的开展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等、机械手化机器、智能机械手不仅可以进展事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进展动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等。机械手的应用领域正在向非制造业和效劳业方向扩展，并且蓬勃开展的军用机械手也将越来越多地装备部队。1.3.1国内研究现状目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械

9、手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手水下、爬壁、管道、遥控等机械手根本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在根底元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主开展中国机械手技术的根底。1.3.2国外研究现状近几年国外工业机械手领域有如下几个开展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械构造向模块化、可重构化开展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械

10、手中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制。1.4研究内容本文第一章是绪论，介绍了论文的研究背景，目的意义及相关的国内情况。第二章是相关理论的阐述，包括的介绍。第三章分析了机械手的构造概述、各局部构造和总体要求。第四章阐述了机械手的硬件设计及驱动。第五章阐述了机械手的控制系统设计。第六章是结论，概括了全文的主要观点。第二章 相关理论概述2.1 机械手的定义及分类工业机械手是五十年代末才开展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其表达了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种

11、环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的开展前景。随着工业自动化的开展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时， 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂，需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速开展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能局部代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序

12、、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进展焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通

13、过操作机来完成特定的作业，后来开展到用无线电信号操作机械手来进展探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand，它是为主机效劳的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本工程要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。2.2 机械手的应用及组成机构目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产开展的需要。在国内主要是开展各方面的机械手，逐步扩大应用X围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手

14、的同时，相应地开展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的X围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得

15、最多。可根据夾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。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要准确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多，占90以上，液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。

16、气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用46个大气压，个别到达810个大气压。本设计的手爪局部采用气压驱动。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手那么考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手腕和机械手的底盘旋转运动。机械驱动只适用于动作固定的场合。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90以上。控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控

17、制机械手工作。对动作复杂的机械手那么采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。. .word. . .word. .本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等2.4 可编程逻辑控制器PLC可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其外围设备，都易于与工业系统联成一个整体、易于扩大其功能的原那么设计。2.4.1 PLC的特点可编程控制器是在计算机技术、通信

18、技术和继电器控制技术的开展根底上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进展逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。高可靠性1所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；2各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms；3各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；4采用性能优良的开关电源。5对采用的器件进展严格的筛选；6良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；7大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系

19、统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故

20、障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。2.4.2 PLC的选型对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。1.常用PLC介绍PLC开展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点开展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活泼在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是根底设施建立和工业解决方案。欧姆龙S7-200系列PLC 突出的

21、特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种一样。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进展。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除根

22、本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进展顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进展中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。2. 确定型号综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比拟，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型假设采用三菱公司的PLC

23、，那么选FX系列，不选F1系列。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。根据设计要求，最终选择西门子的S7-200系列的PLC,其型号为：S7-CPU226。2.4.3 西门子S7-200系列PLC的构造功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的构造原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组

24、合体的功能，采用软件编程进展它们之间的联系。因为本设计采用的是S7-200系列的PLC，虽然PLC的种类很多，但其构造和功能都很相似，那就用此PLC来说明PLC的构造功能。PLC主要由CPU、存储器、根本I/O接口电路、外设接口、编程装置和电源等组成。根本构造如下图：图2.1 PLC的根本机构1 、CPUCPU是PLC的控制中枢。CPU一般由控制电路、运算器和存放器组成。CPU在系统的监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象存放区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进展数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映象存放区域。

25、2、存储器PLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大局部构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。3、根本I/O接口单元PLC内部输入电路的作用是将PLC外部电路如行程开关、按钮、传感器等提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。PLC外部输出电路的作用是将输出映像存放器的结果通过输出接口电路驱动外部的负载如接触器线圈、电磁阀、指示灯等。4、外设接口外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。5、电源电源单元的作用是把外部电源220V的交流电源转

26、换成内部工作电源。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源，并为外部输入元件提供24V直流电源，而驱动PLC负载的电源由用户提供。. .word. . .word. .第三章机械手的构造设计3.1 机械手的构造概述机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。由于应用场合的不同，机械手构造形式有多种多样，在组成局部的驱动方式、传动原理和机械构造也有各种不同的类型。通常根据机械手各局部的功能，其机械局部主要由以下各局部构成：1、手部机械手为了进展作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称

27、为手抓或末端操作器，是来握持工件或工具的部件。本设计用的是齿轮齿条式夹持器。2、手腕手腕是联接手部和手臂的局部，其作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂。手腕往往有三种运动方式：手腕旋转、手腕弯曲和手腕侧摆，考虑本设计的要求，设计用的是一个步进电机控制可180度旋转的手腕。3、臂部臂部是联接机身和手腕的局部，其作用是改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，并将各种载荷传递到机座。机械手的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的部件，如传到机构、驱动机构、导向定位装置、支承联接和位置检测元件等。臂部可分为：伸缩型臂部构造、转动伸缩型臂部构造、屈伸型臂部构造、其他专用的机械传

28、动臂部构造。本设计共用了三个臂，有伸缩型臂部构造和转动型臂部构造。可进展上下移动和前后伸缩移动以及水平旋转运动。4、机身机身是机械手的根底局部，起支撑作用。固定式机械手直接联接在地面根底上，移动式机械手那么安装在移动机构上。常用的机身构造有：升降回转型机身构造、俯仰型机身构造、直移型机身构造、类人机器人机身构造。本设计采用的是升降回转型机身构造的机械手。3.1.1 机械手的运动自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够能够对坐标系进展独立运动的数目称为自由度DOF degree of freedom。自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，为了抓取空间中任意位置和方位的物体，三维空

29、间需要6个自由度。物体所能进展的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。自由度是机 械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其构造也越复杂。 一般固定程序的机械手，动作比拟简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，假设批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比拟复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，

30、那么机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的构造和控制，应使自由度数最少。 本设计的通用机械手的构造相比照拟简单，在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的根本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，在本设计中关于机械手的自由度的选择为5个。分别为立柱回转、小臂升降、手臂伸缩、手腕旋转、手爪夹紧放松。分别由步进电机2、升降气缸、直流电机、步进电机1和手爪加紧放松气缸控制。3.2 机械手的各局部构造机械手的机械构造与传感系统、控制系统、驱动系统和环境交互系统一样，是组成机械手这一整体的重要

31、组成局部，下面将分别对此设计的机械手的构造和其设计进展详述。3.2.1手部的设计机械手的手部是重要的执行机构。机械手的首局部为两大类：夹持类手部和吸附类手部，各类又分为很多种，如夹持类又可分为夹钳式手部、钩托式手部和弹簧式手部。我们可根据设计的要求，选择外夹夹钳式v型指手部构造。其传力机构根据题目要求，可选择齿轮齿条式手部构造，故本设计的气动机械手的手部构造形式如图4所示。其手指夹紧工件是由夹紧气缸1中的齿条活塞杆8在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮7并带动扇形齿轴5回转，因手指6与扇形齿轮5固结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。用由于采用双向电磁阀，可实现其手部的夹紧和松开。手部构造

32、中的齿轮齿条属于传力机构。图3.1 齿轮齿条式手部构造3.2.1.1手部夹力及驱动力的计算手指在件上的夹力，是设计手部的主要依据。在此次设计中，我们可有如下参数 要求抓取工件的重量为30N,V型指的角度2=120，b=60mm，R=40mm，摩擦系数f=0.1。当工件重量，手指指形，工件的形状和夹持的方位确定后可有图1 的形状和方位确定，可得(1)夹力的计算公式：=130N(2)根据手部机构的传动示意图图5所示，其驱动力为图3.2 齿轮齿条式手部构造示意图3实际驱动力P驱动力，N手部的机械效率，一般取0.850.95平安系数，通常为1.22.0工作状况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可按下式估

33、计，被抓取工件运动时的最大加速度，运载时工件最大上升速度系统到达最高速度的时间，一般选取0.03 0.5sg重力加速度，g=9.8mG被抓取工件所受重力N在此中，因为传动机构为齿轮齿条机构，故取=0.9，取=1.5, 机械手到达最高响应时间0.5s ，3.2.2 手腕此设计的手腕上端连着丝杆，从而使整个手部可以顺利水平移动，下端连着手部，将载荷从手部传递到杆上。手腕是由上升下降气缸，旋转步进电机和一些机械装置构成，构造严密！气缸选的是CDM2B1030型号，其电磁阀选型是二位五通双电控电磁阀，选用的是AIRTAC公司型号为4V110M5的产品。供电电压是DC24V.两位五通电磁阀具有1个进气孔

34、(接进气气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别提供应目标设备的一正一反动作的气源)、1个正动作排气孔和1个反动作排气孔(常常安装消声器)。其工作原理为：给正动作线圈通电，那么正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电，那么反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。当要下降手部时，PLC给正动作线圈通电，机械手手部下降，当要手部提升时，只需给反动作线圈通电即可，每次通电都要维持一段时间大约2秒钟。步进电机可以使气缸和下

35、面承载的夹持器一体转动，从而可以控制手的顺利转动180，这样大大提高了机械手的活动空间。设计中是有4块物体，放在一块玻璃板上，夹持器一块块夹取，所以要求机械手转动手部，使夹持器保持适宜的角度来夹取物块。步进电机的角度和转动的方向是由PLC控制的。手腕的示意图如下：图3 .3 手腕示意图3.2.3 臂部设计中手臂是使机械手手部前伸和后缩的重要组成局部，手臂是用滚珠丝杆作用的，丝杆的后端连着直流电机，丝杆螺母连着手腕整体，直流电机通过丝杆将机械手的手部进展水平移动。直流电机选用的型号为5D90-24。驱动电压为24V，功率为90W。负载转速为2800转，力矩为3.2Kgcm。驱动芯片L298N通过

36、控制直流电机的启停从而控制丝杆螺母的移动，这样可方便准确地控制机械手的手部的移动。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精细仪器中，是将回转运动转化为直线运动的理想的产品。其实物图如下：图3 .4 滚珠实物图滚珠丝杆具有很多优点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3；2、高精度的保证；3、运动平稳；4、同步性好。丝杆的参数为：导程mm轴向平均负载ms轴向平均转速(r/m)丝杆的长度(mm)202002000920其型号为KURODA GG1520AS-BALR系列的。3.2.4 机身机身包括立柱和底座，立柱

37、是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一局部，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，机座是机械手的根底局部，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。立柱的下端连着底座，上端连着机械手的手臂，对手臂其支撑和将载荷传到底座的作用，底座下面有一步进电机，控制立柱的旋转，也即控制整个机械手上方的旋转运动。其示意图为：图3.5 机身示意图3.3 本设计的总体要求前已讲到，有很多种机械手，其实现的功能各种各样，而此设计的机械手是搬运机械手，实现的是按照固定顺序将待加工的工件搬到传输带上。1、 其构造图如下：图3.6 机械手的构造2、 机械手的工作流程机械手的工作方

38、式有三种：单步运行、单周期运行、连续运行。 单步运行：从初始步开场，按一下启功按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停顿工作并停留在该步。再按一下启功按钮，又往前走一步。单步方式常用于系统的调试。每按一次启动按钮，机械手前进一个工步或工序即自动停顿。 单周期运行：每按一次启动按钮后，机械手从原点起始步开场，按照工序顺序自动完成一个周期的动作后停顿，返回有效期停在初始步。假设在中途按下停顿按钮，机械手停顿运行；再按下启动按钮，从断点处开场继续运行，回到原点自动停顿。 连续运行：在初始状态下，按下启动按钮后，机械手从初始步开场，工作一个周期后，又开场进展下一个周期，自动、连续不断地周期性循

39、环。具体流程为：机械手在载物板上方、手腕靠近立柱为初始态，当在连续工作方式下按下启动按钮，机械手由气压驱动向下伸开小臂，根据判断取的是哪个物件，从而决定是否要进展旋转手腕，以及旋转多少角度。之后夹持器抓住物. .word. .块，待两秒钟后反旋转，再由气压驱动向上缩回去，步进电机2也是根据当前抓取的是哪个物件而决定旋转多少角度，之后直流电机启动通过滚珠丝杆向前方伸开大臂，待到一定长度时，下降小臂，释放物块。再之后回去再取物块，当四件物块都取走放在传送带上，机械手就完成了一个周期，完成一个周期又回到初始态。假设按下停顿键，那么机械手待完成一个工作周期后停顿。第四章机械手的硬件设计及驱动4.1气压

40、传动本设计的夹持器和小臂都是用气压驱动的。4.1.1 气压传动简介气压传动与控制技术简称气动技术，是指以压缩空气为工作介质来进展能量与信号的传递，实现生产过程机械化、自动化的一门技术，它是流体传动与控制学科的一个重要组成局部。从广义上看，气动技术X畴，除空气压缩机、空气净化器、气动马达、各类控制阀及辅助装置以外，还包括真空发生装置、真空执行元件以及各种气开工具等。由于气动技术相对于机械传动、电传动及液压传动而言有许多突出的优点，因而近年来开展十分迅速，现在气动技术结合了液压、机械、电气和电子技术的众多优点，并与它们相互补充，成为现实生产过程自动化的一个重要手段，在机械、冶金、纺织、食品、化工、

41、交通运输、航空航天、国防建立等各个部门已得到广泛的应用。4.1.2 气压传动的设计机械手的气动控制回路如图4.1所示。气动系统由气源、气动、三联件OZ、电磁阀、节流阀和各种气缸组成。气源工作压力：最小6bar，最大8bar。压缩空气经气源三联件再次过滤、净化、调压、雾化后经手动换向阀后分别进入三只电磁换向阀。升降气缸的换向阀采用二位五通双电控电磁阀，夹紧气缸的换向阀采用二位五通单电控电磁阀。电磁阀均选用AIRTAC公司型号为4V110M5的产品，气缸选用SMC公司的产品。升降气缸选CDM2B1030型号，夹紧气缸选 MHZ210D1E 型号。为了使各执行元件运动平稳，各气缸2个气口装有单向节流阀，型号选择为SMC公司的ARJ1020FM5。升降气缸位置检测开关选用 SMC 公司的DC73 产品。夹钳上不用位置检测开关。电磁阀的线圈用电均为直流24V。P2气缸1A：上升气缸 气缸2A：下降气缸 气缸3A:夹持气缸P1P2P1P2P1ABBABAS P R S P R S P R P气缸1A气缸2A气缸