導語：如何才能寫好一篇機械手設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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Abstract： The hydraumatic manipulator mainly takes hydraulic manipulator as the media， and uses the liquid pressure to drive the movement of the actuator. Its main features are： First， it can realize the automation of circulation work and automatic overload protection. Then， the control is simple， convenient and effort. Finally， the non-clearance transmission can be better achieved in this way， and the operation is more smooth and steady.

關鍵詞：液壓；機械手；控制

Key words： hydraumatic；manipulator；control

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）01-0145-02

0 引言

機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、執(zhí)行軌跡、實現(xiàn)自動抓舉或搬運的自動化機械裝置。產(chǎn)品機械手價格昂貴，一些小型機械企業(yè)望而止步。文中所研究的機械手采用液壓驅(qū)動方式，主要功能是實現(xiàn)上下料過程的自動化。其造價低廉、控制性好，可為小型機械行業(yè)所用?，F(xiàn)將設計過程簡單介紹。

1 機械手的技術參數(shù)

①自由度（四個自由度）

臂轉(zhuǎn)動 180°

臂上下運動 175mm

臂伸長（收縮） 400mm

手部轉(zhuǎn)動 ±90°

②手指握力 392N

③驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動

2 主要設計內(nèi)容

2.1 結構原理設計 根據(jù)設計要求繪制出其機械手結構原理圖，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結構分析 本次液壓機械手的設計主要是由執(zhí)行機構，驅(qū)動裝置，被抓取工件等部分組成，各系統(tǒng)之間的相互關系如圖2所示。

2.3 機械手機械系統(tǒng)結構設計 機械手的機械結構部分主要是由執(zhí)行機構構成的，其中執(zhí)行機構又包括末端操作器、手腕、手臂和機身。

2.3.1 末端操作器

機械手為了進行作業(yè)，在手腕上裝上了操作機構被定義為末端操作器。它的最為基本作用是：直接抓取工件、工具或物體等，末端操作器的功能與人手相似，工件的形狀和特征直接決定末端操作器的機構形式。本次設計手部的結構選擇為滑槽杠桿式夾鉗。

2.3.2 手腕

機器手的手腕是連接手部和手臂的橋梁，其主要用途是調(diào)節(jié)、改變工件的坐標，因此具有相對獨立的自由度，從而使機器人的手部能夠完成各種復雜的動作。一般，按照自由度分類，手腕可以設計為三個自由度。分別為：單自由度、二自由度和三自由度。本次設計中選用的是單自由度手腕。

2.3.3 手臂

手臂是機械手執(zhí)行機構的尤為重要組成部件。手臂根據(jù)它的運動方式可以分成四種類型，它們分別是“直線運動、回轉(zhuǎn)運動、俯仰運動和復合運動。此次設計選用的是直線運動、回轉(zhuǎn)運動的復合運動。

2.3.4 機身

機械手的最基礎的部分是機身，它的主要作用是連接、支撐。所以機械手主要承受動力裝置、液壓裝置的重量。

通過Pro/E軟件完成機械手的三維造型如圖3所示。

2.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)總體設計 機械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

3 結束語

四自由度液壓機械手系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，能準確完成上下料工作，機械密封可靠，說明液壓回路的設計及液壓元器件的選擇滿足產(chǎn)品使用的需求。最為重要的是整套設備的制作費用在五千元左右，與產(chǎn)品工業(yè)機器手數(shù)萬元的價格相比，很大程度上滿足了小型機械企業(yè)向自動化、智能化發(fā)展的需求，可為同類產(chǎn)品的設計提供經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]康立新，馬建華.工業(yè)機械手的設計[R].工程技術.

[2]謝明廣，孔祥戰(zhàn)，何宸光.機器人概述[M].哈爾濱：哈爾濱大學出版社，2013.

篇2

關鍵詞：8051；單片機；機械手；工件搬運

中圖分類號：TP391.41；TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

機械手是自動化生產(chǎn)中常見的一種控制對象。它能模仿人的手、臂，抓、搬物件。雖不能完全取代人手，但在重復頻率高、勞動強度大、危險性高的環(huán)境下顯示出一定優(yōu)勢。機械手主要有執(zhí)行機構（手部）、運動機構和控制系統(tǒng)三部分。手部主要用來抓持工件；運動機構主要帶動手部實現(xiàn)全方位運動；控制系統(tǒng)則通過對機械手電機的控制，來完成特定動作。

目前企業(yè)用的機械手多用PLC和低壓電器實現(xiàn)，此方法控制簡單，可靠性高，但成本高，本系統(tǒng)采用8051單片機為控制核心，輔以低壓電器限位開關實現(xiàn)保護，在保證可靠性的前提下，大大降低了成本，并且便于實現(xiàn)無工件檢測、自動計數(shù)、遙控和實時檢測，應用前景廣闊。

一、控制系統(tǒng)功能

如圖1所示是一臺工件搬運機械手的動作示意圖，其功能是將工件從A點搬運到B點。機械手的升降和左右運動分別由兩個步進電機驅(qū)動鏈條來實現(xiàn)，其中上下移動對應電機1，左右移動對應電機2。單片機合理控制電機的正反轉(zhuǎn)，而實現(xiàn)機械手的全方位運動，通過記步方式實現(xiàn)機械手的精確定位，并可通過修改記步參數(shù)修訂移位距離。為防止系統(tǒng)死機，還設有上下左右4個限位開關X1、X2和X3、X4，實現(xiàn)撞車保護。機械手的夾緊、松開動作由電磁鐵實現(xiàn)，線圈斷電夾住工件，線圈通電，松開工件，以防止電源停電時工件跌落。電磁鐵線圈的通斷電由5V繼電器控制，實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。機械手最上面、最左邊且距離上面和左面限位開關一個小間隙的位置為初始原點，而且通過設置可以重新定位原點，以適應不同工序的要求。本系統(tǒng)除工件的自搬運控制外，還可實現(xiàn)手動控制、零點設定和越位報警等。如圖1所示，把工作方式開關撥到原點位置，機械手會自動回到設定零點位置待命；撥到自動位置，機械手自動完成工件的搬運工序，并循環(huán)運行；撥到手動位置，可通過按鍵控制機械手的各種動作。

圖1 工件搬運機械手動作示意圖

圖2 系統(tǒng)總體設計流程圖

二、軟件設計

（一）總體設計

本系統(tǒng)包括回原點模式，手動模式和自動搬運三種工作方式，如圖2所示。把模式開關撥到原點位置，K9接通，執(zhí)行回原點程序，機械手自動回到原點位置。把模式開關撥到手動位置，則K8接通，執(zhí)行手動控制程序，此時可通過K1-K6鍵手動控制機械手，此模式下，若按K10鍵，則以機械手此時的坐標重新設定原點。把模式開關撥到自動位置，則K7接通，此時執(zhí)行自動搬運程序，機械手自動把工件從A點搬運到B點，循環(huán)往復。模式轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)自動記憶機械手當前的坐標和運動狀態(tài)，以便在另一個模式下能連續(xù)運行。

（二）回原點功能

初始狀態(tài)以最左邊和最上邊位置為原點。此過程中以步進電機的步為計量單位精確定位，以滿足工序的誤差要求。K9按下，單片機控制電機將機械手定位到設定原點，無需人工值守，且原點可在允許范圍內(nèi)隨意設定，以滿足不同工件、不同工序的要求，大大提高了本設計的靈活性。

（三）手動操作功能

K8按下，激活手動控制程序，此時點按K1-K6鍵可實現(xiàn)機械手的點動運行，其行程大小可通過程序設定，以實現(xiàn)不同場合的需要，長按鍵則實現(xiàn)機械手的連續(xù)運行。此時按K10鍵重新設定原點。

（四）自動運行功能

K7按下，系統(tǒng)進入自動運行模式。此時系統(tǒng)會自動檢測機械手的位置和狀態(tài)，若機械手不在原點或有工件被夾持，則系統(tǒng)首先執(zhí)行回原點程序，并釋放工件；否則直接執(zhí)行自動運行程序。在程序的控制下，機械手首先下降到工件位置，電磁鐵斷電，將工件夾起；然后重新上升返回到原點位置，垂直方向偏移量清零；此時水平電機啟動，將機械手帶到最右側；然后垂直電機再工作將機械手帶動到工件位置，并釋放工件；然后連續(xù)執(zhí)行上升、左移代碼，機械手重新回到原點，水平和垂直偏移量清零，第一個自動循環(huán)結束。只要模式轉(zhuǎn)換開關位置不變，機械手便會循環(huán)往復執(zhí)行此循環(huán)動作。

三、結束語

本文采用89C52單片機作為控制核心，在C程序的控制下通過驅(qū)動電路和限位開關實現(xiàn)對步進電機的控制，從而實現(xiàn)機械手在多種工作模式下的精確運動和操作，為防止機械手的越位運動，本系統(tǒng)中還設置了硬件限位開關和報警功能，不但保證了系統(tǒng)的精度和靈活性，而且大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高了企業(yè)生產(chǎn)的工作效率，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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關鍵詞：搬運機械手；電氣一體化；定位控制

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A

0.引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，機械手成為當今時代的標志，有效改善勞動條件，保障人身安全。當前，機械手可以精確執(zhí)行預先編寫的程序命令，實現(xiàn)預計動作，被廣泛應用于機床、模具鍛造或者點焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產(chǎn)線之間物品運輸設計的機械手系統(tǒng)，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動以及手指抓握3個動作；采用集成傳輸模式，即手臂機構采用伺服電機驅(qū)動，手爪機構則采用氣壓傳動。

1.硬件結構設計

1.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調(diào)速方法的不斷研究，目前能夠?qū)㈦姍C調(diào)速范圍與成本降低到寬調(diào)速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應用。而直流伺服電機內(nèi)部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結構簡單，成本較低，但應用時對其調(diào)速十分煩瑣，成本相對較高，不經(jīng)濟適用?？紤]到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉(zhuǎn)電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養(yǎng)維修，采用的驅(qū)動器為MDDDT5540型號。

1.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅(qū)動系統(tǒng)運動速度由氣流調(diào)節(jié)閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅(qū)動系統(tǒng)憑借其價格低廉等優(yōu)點在工業(yè)中得到廣泛應用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據(jù)指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調(diào)緩沖裝置的雙作用氣缸，并設有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態(tài)下保持氣缸內(nèi)部的壓力，所以根據(jù)經(jīng)驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

1.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉(zhuǎn)變成由控制系統(tǒng)可以識別的電信號。實時檢測系統(tǒng)本身以及工作對象、工作環(huán)境的狀況，為控制系統(tǒng)提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執(zhí)行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關，并將其安裝在預先設定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關，當行程開關檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

2.機械手動作的實現(xiàn)過程

機械手的工作均由伺服電機驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)和電機自轉(zhuǎn)來完成。本機械手的一個工作周期要完成手臂下降―工件加緊―手臂上升―右旋―手臂再下降―松開工件―手臂在上升―左旋8個動作，全部由對應的限位開關來控制，系統(tǒng)原始位置設置在原點，當按下開始命令時，機械手會立即有序的執(zhí)行預訂相應動作。為確保人身安全，機械手安裝了一個光電開關，當機械手右旋到預定位置時，必須檢測到右工作臺上沒有工件時才能執(zhí)行下降動作。另外，機械手能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖功能，在系統(tǒng)斷電斷氣情況下保持機械手姿勢。本文研究的機械手系統(tǒng)工作方式一共有手動操作，半自動操作，自動操作3種模式，當系統(tǒng)上電后機械手首先初始化，然后進行選擇相應的工作方式。

3.控制系統(tǒng)的設計

控制系統(tǒng)是機械手設計的重要組成部分，是保證機械手在工作過程中安全可靠的關鍵。實時控制著機械手的每一個作業(yè)動作，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性的好壞直接決定了機械手工作過程的效率，起著不可低估作用。

3.1 PLC的選用

本文機械手的控制系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統(tǒng)I/O端的分組情況及隔離與接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了兩個EM253位控模塊和一個EM22324VDC數(shù)字組合8輸入/8輸出的擴展模塊。本文設計的控制系統(tǒng)，控制面板上操作按鈕的輸入端應該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統(tǒng)的行程開關接入I1.6-I2.3，料架上的兩個光電傳感器應該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅(qū)動器的報警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機定位完成后發(fā)出的信號接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統(tǒng)信號指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號，實時檢測機械手狀態(tài)，Q1.5-Q1.7端連接驅(qū)動器，為電機提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機的運轉(zhuǎn)，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調(diào)節(jié)氣缸的伸縮。

3.2 控制模塊設計

本文中，控制系統(tǒng)主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構成，機械手的抓放動作由選用的氣缸驅(qū)動，其余動作由選用的伺服電機驅(qū)動，同時電機配有驅(qū)動器，由位控模塊接收脈沖輸入。結構上，系統(tǒng)配有極限行程開關，每個部件的極限運動由脈沖來限位。主控單元采用單獨封裝，設計為模塊式結構，安裝在相應的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個位控模塊，通過PLC專用電纜進行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因為可以運用其產(chǎn)生的脈沖串對電機速度何位置進行開環(huán)控制，產(chǎn)生的脈沖串存儲在S7-200相應的存儲區(qū)中，通過擴展的I/O總線與S7-200進行通信。

3.3 控制面板的設計

本文所設計的機械手根據(jù)實際應用所需設置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開關：當正常生產(chǎn)時將機械手調(diào)到自動模式，機械手會自動運行。當機械手出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)報警時可以將機械手調(diào)到手動模式，機械手可通過點動調(diào)整。（2）電源開關：當機械手系統(tǒng)準備工作時，必須將電源撥至ON位置，給系統(tǒng)設施供電，其中觸摸終端由PLC進行供電。當機械手系統(tǒng)停止工作時，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設施供電，保證系統(tǒng)及人身安全。（3）急停按鈕：當機械手系統(tǒng)在運行過程中，出現(xiàn)突況例如搬運不夠穩(wěn)定、下放物品不到位、超過了極限位置以及沒有抓取成功目標物等等發(fā)生時，迫使機械臂系統(tǒng)停止工作，此時僅需按下急停按鈕，則可立即使機械手停止工作，有效避免事故的發(fā)生和經(jīng)濟損失。（4）機械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開按鈕：這些按鈕通常在調(diào)試或者排除系統(tǒng)故障時對機械手進行單步操作時使用，屬于手動操作。（5）復位按鈕：當需要將機械手系統(tǒng)自動恢復到初始位置的情況時，需要按此按鈕實現(xiàn)相應復位功能。（6）啟動按鈕：當機械手系統(tǒng)完成上電，工作模式等一系列前期準備工作之后，按下此按鈕系統(tǒng)就會自動完成預設搬運動作。（7）測試燈/報警按鈕：機械手系統(tǒng)安裝結束后，要對機械手的作業(yè)穩(wěn)定性進行試驗。此時，試燈/報警清除按鈕對電路上所有的工作指示燈做檢測，保證正式運行時的安全。另外，當機械手系y出現(xiàn)報警時，我們對系統(tǒng)進行故障維修后，必須按此按鈕消除報警，使系統(tǒng)進行正常作業(yè)。

結語

本文對機械手驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)方面進行認真細致地研究，能夠?qū)ιa(chǎn)線上有無工件進行精準判斷，降低了工作勞動強度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，對自動化生產(chǎn)線的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

參考文獻

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[3]朱春波.PLC控制的氣動上下料機械手[J].液壓氣動與密封，1999：21-24.

[4]郭艷萍.基于PLC的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2007，9（9）：31-32.

[5]李長軍.西門子S7-200PLC應用實例解說[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

篇4

【關鍵詞】機械手;液壓系統(tǒng);設計

1.機械手結構分析

本文所研究的搬運機械手具有四個自由度，分別為手腕的旋轉(zhuǎn)運動，手臂的伸縮運動、旋轉(zhuǎn)運動和升降運動，坐標形式為圓柱坐標，采用液壓驅(qū)動控制方式，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 機械手結構示意圖

2.機械手關鍵液壓回路分析

在驅(qū)動機械手運動過程中，其中夾緊放松動作，旋轉(zhuǎn)動作和伸縮動作是主要的動作，這里對這些動作的回路進行分析。

（1）夾緊回路

夾緊回路采用的是O型三位四通換向閥來進行鎖定，如圖2所示。

1―三位四通換向閥 2―調(diào)速閥 3―二位三通換向閥

圖2 夾緊回路

（2）旋轉(zhuǎn)回路

對于機械手的旋轉(zhuǎn)動作，采用了液壓馬達實現(xiàn)，原理如圖3所示。

1―二位二通換向閥 2―調(diào)速閥 3―三位四通換向閥 4―液壓馬達

圖3 旋轉(zhuǎn)回路

3.液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)作為搬運機械手的重要驅(qū)動方式，主要 用來使機械手完成工作夾/松、手部擺動、手臂水平位 移和垂直升降等動作，主要由油缸、油泵、油壓馬達和各種閥組成。

系統(tǒng)主要技術參數(shù)如下：

抓重：20kg

自由度：4

坐標形式：圓柱坐標

最大工作半徑：1500mm

手臂最大中心高度：700mm

手臂運動參數(shù)：

伸縮行程：700mm

伸縮速度：400mm/s

升降行程：300m m

升降速度：50mm/s

回轉(zhuǎn)范圍：0°―180°

回轉(zhuǎn)速度：70°/s

手腕運動參數(shù)：

回轉(zhuǎn)范圍：0°―180°

回轉(zhuǎn)速度：9 0°/s

手指夾持范圍：∮30mm―∮60mm

手指握力：500N

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求和特點，擬定的四自由度搬運機械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

4.液壓系統(tǒng)硬件設計

（1）液壓泵的選擇

泵的工作壓力的確定：泵的工作壓力可按缸的工作壓力加上管路和元件的壓力損失來確定。采用調(diào)速閥調(diào)速，初算時可取。考慮背壓，現(xiàn)取。泵的工作壓力初定為：

式中：p――液壓缸的工作壓力;――系統(tǒng)的壓力損失。

泵的流量的確定：由于液壓缸采用的是差動連接方式，而有桿腔有效面積大于活塞面積，故在速度相同的情況下，快退所需的流量大于快進的流量，故按快退考慮。已知快退時所需要的流量，故快退時泵應供油量為：

式中，K為系統(tǒng)的泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，此處取1.1。

根據(jù)組合機床的具體情況，從產(chǎn)品樣本中選用YB-4/10型雙聯(lián)葉片泵。其最大提供的流量為：

故所選泵符合系統(tǒng)要求。

（2）選擇閥類元件

各類閥可按通過該閥的最大流量和實際工作壓力選取。如表1所示：

表1 液壓閥的選型

序號 元件名稱 型號 規(guī)格

1 溢流閥 YF-B32H 21MPa，250L/min

2 調(diào)速閥 Q-H10 32MPa，40L/min

3 單向閥 I-25B 6.3MPa、25L/min

4 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

5 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

6 調(diào)速閥 Q-H20 32MPa，100L/min

7 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

8 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

9 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

10 調(diào)速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

11 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

12 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

13 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

14 調(diào)速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

15 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

16 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

17 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

（3）電機的確定

快進快退時所需的功率比工進時的功率要大，所以選取電機功率的時候用快進快退的功率做為選取依據(jù)。系統(tǒng)的壓力為4MPa，流量為14L/min，其功率為：

故選取電機功率為1.5kw的電機。

本文主要對四自由度機械手的液壓系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)機械手的前進，后退，升降和回轉(zhuǎn)功能，并對系統(tǒng)的主要元件進行了設計和選型。根據(jù)仿真軟件進行試驗，系統(tǒng)能運行穩(wěn)定夠滿足需要，可試用推廣。

參考文獻

[1]張宏友.液壓與氣動技術[M].大連：大連理工大學出版社，2009.

篇5

一、數(shù)控機床上下機械手的發(fā)展與動態(tài)情況

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國目前數(shù)控機床上下機械手的研究和發(fā)展較為突出，它的動態(tài)特征也相對明顯。一是，模塊化與可重構化成為了動態(tài)發(fā)展的基礎；二是，PC機的開放型控制器變?yōu)榱松舷铝蠙C械手體系發(fā)展的主要方向，網(wǎng)絡化和標準化態(tài)勢異常突出。器件的集成度不斷強化，設計出的架構也更加靈巧，系統(tǒng)安全性和可靠性更為有效；三是，機械手中的傳感器發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，位置傳感器和速度傳感器得到了進一步應用，視覺、觸覺傳感器的加入使用，更是將上下料機械手推向了更為先進的方向；最后，以焊接和裝配為代表的機械產(chǎn)品也走向了模塊化方向，其仿真效果和動態(tài)特征異常突出。

二、上下機械手手爪架構的流程設計

數(shù)控機床上下機械手的樣式多樣，類型豐富，在操作過程中對作業(yè)和裝置的要求嚴格，根據(jù)不同的操作需求，機械手的選擇也不盡相同。最常見的機械手是測量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它們的差異明顯，作用不同。機械式手爪設計流程必須符合要求，遵循具體原則實施施工，根據(jù)其運轉(zhuǎn)和作用的內(nèi)容進行相關設計和開發(fā)。為了避免它與萬能手爪方式存在矛盾，還要將工業(yè)應用作為設計的基礎，將重點放在機械手設計過程中，實現(xiàn)和健全它的工作職能，考慮設計流程的經(jīng)濟效益。另外，機械手爪架構還必須具備通用特征，能夠使用有限數(shù)量的手爪適應不同要求的機械手，在末端執(zhí)行器開展工作的時候，還應該配置一個標準的機械接口，保證執(zhí)行過程的標準化特征。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業(yè)的加工。在對上下料機械手進行設計的過程中，一定要首先分辨用途，然后在結合實際設計流程，突出其使用效率。

三、上下料機械手設計方案的實際運轉(zhuǎn)

數(shù)控機床上下料機械手設計流程完善規(guī)范后，還要確保其實際運行的科學性。由于機械手手臂基本上都為直線式，它的剛度又較大，在運動過程中勢必會對穩(wěn)定性和安全性具有更高的要求。因此，在實際運轉(zhuǎn)過程中，一定要選用液壓驅(qū)動的方式，根據(jù)液壓缸表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動特征，突出它的執(zhí)行作用，降低控制難度，并使用計算機實施管理控制。在此基礎上，機械手手臂在具體運轉(zhuǎn)過程中還具有自身的控制要求，結構設計不用過多關注長度，僅僅依賴加大液壓缸的直徑來提高其剛度，那么勢必無法滿足系統(tǒng)需要，設計問題也會暴露。針對這樣的現(xiàn)象，在具體設計過程中，要添加導桿機構在設計之中，在小臂上安裝導桿兩個，并使它們與活塞桿組成一個三角形，通過三角形的穩(wěn)定性提高小臂的剛度性能。在大臂上則安置四個導桿，構成一個四邊形，并且保證每個導桿都為空心樣式，進而最大限度的降低大臂重量，做好機械手設計流程的應用，發(fā)揮其技術能力。

四、機械手的主要優(yōu)勢和運用

數(shù)控機床上下料機械手的作用和優(yōu)勢明顯，它的作用突出，具備較好的特征。另外，機械手的實施方案具有速度快、工作效率高等優(yōu)勢，它的負載能力強，移位的精準性好，故障出現(xiàn)的頻率勢必會大大減小，其優(yōu)勢作用相當明顯。例如，機械手在DK050機床上的成功應用就是一個顯著的案例，也是數(shù)控機床柔性輸送方面的一個巨大的創(chuàng)新內(nèi)容。在未來的發(fā)展過程中，它勢必會得到更加完善的運用，機械手的開發(fā)和使用也將得到前所未有的發(fā)揮，為廣大使用者提供更加便捷的服務，減少施工時間，擴大經(jīng)濟效益。

五、結語

篇6

關鍵詞：PLC控制；工業(yè)機械手；設計研究

前言

工業(yè)生產(chǎn)領域中，很多工業(yè)操作靠人工是無法完成的，并且，一些操作具有較大的危害性，因此，要想實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)目標，保證工人施工安全，工業(yè)機械手得到了較為廣泛的應用。工業(yè)機械手可以進行一些高溫、有毒環(huán)境下的工業(yè)生產(chǎn)，極大程度上保證了工人安全，同時也在很大程度上減緩了工人的勞動強度?；赑LC的氣動抓取式工業(yè)機械手設計，將注重相關程序的具體應用，注重把握機械手設計的靈活性和自動性特征，通過一系列編程控制，更好地實現(xiàn)機械手的實際效用。PLC氣動抓取式機械手，具有較高的可靠性，并且編程簡單、功能強大，延伸和擴大了人的手足和大腦功能，更加廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

1 氣動抓取式工業(yè)機械手的構成分析

基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機械手設計，需要具有較高的靈活性和自動化發(fā)展特征，能夠根據(jù)相應的程序設計，滿足實際生產(chǎn)需要。因此，在進行設計過程中，氣動抓取式工業(yè)機械手應包含以下幾部分：執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是氣動抓取式工業(yè)機械手的重要組成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是機械手完成生產(chǎn)目的的關鍵部分；氣動驅(qū)動系統(tǒng)：氣動驅(qū)動系統(tǒng)是指揮機械手完成工業(yè)生產(chǎn)的重要部分，利用氣體壓力進行驅(qū)動，使機械手完成任務；控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)相當于機械手的大腦，對機械手執(zhí)行任務進行指令下達。一般來說，氣動抓取式工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)，主要以PLC自動化工業(yè)控制系統(tǒng)為主；相關檢測裝置：檢測裝置是進行位置調(diào)節(jié)的裝置，通過檢測裝置可以更好地確定抓取目標，為實現(xiàn)抓取目的提供依據(jù)。機械手的構成，以PLC控制系統(tǒng)進行指令下達，之后由氣動驅(qū)動系統(tǒng)進行機械能傳輸，使執(zhí)行機構能夠進行實際行動，并且根據(jù)位置檢測裝置，進行目標操作[1]。

2 基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機械手設計研究

2.1 設計要點

基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機械手在設計過程中，要注重機械手的抓取性能，在實際工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)快、準、狠的工作效果。機械手設計過程中，手臂的運行方式有所不同，在進行手臂設計時，需要考慮到生產(chǎn)的實際情況，使機械手設計能夠與生產(chǎn)實際狀況符合。關于PLC氣動抓取式工業(yè)機械手設計，要把握以下幾點：第一，機械手臂設計時，坐標可分為直角坐標式、球坐標式、關節(jié)式等方式。第二，手臂的升降、收縮和回轉(zhuǎn)運動要保證靈活性，能夠較好地適應生產(chǎn)和抓取情況。第三，手臂的上下升降、左右旋轉(zhuǎn)、上下擺動動作要具有較好的靈活性。第四，手臂要保證五個自由度，符合抓取需要。

2.2 設計方案

文章對基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機械手的設計研究，將從手指、手腕、手臂、三個方面進行。

手指設計分析：機械手在設計過程中，要具有較好的通用性能，能夠進行有效的更換，以實現(xiàn)設計的效率性和多用性。手指在設計過程中，主要以氣動抓取方式為主。氣動機械手是用壓縮空氣為動力源的機械手。其特點是方便、輸出力小、氣動迅速。但是由于空氣的可壓縮性使其運送過程不穩(wěn)定，抓取力控制在三十公斤以下。手指設計時，要有足夠的握力并且手指間具有對應的開閉角，能夠?qū)ぜM行準確定位。

手腕設計分析：手腕設計時，同樣要以生產(chǎn)實際需要為主，手腕要具有較好的靈活性，更好地滿足生產(chǎn)需要。設計時，若是抓取的物件是水平放置，則可以設置成為上下擺動的形式即可，若是抓取物件存在一定的復雜性，就需要將手腕設計成“球坐標式”，能夠進行有效地活動，從而完成抓取工作[2]。

手臂設計分析：機械手臂在設計過程中，要保證其具有較大的靈活性。手臂是進行抓取工作的重要設計點，其速度關系到了機械手手指的抓取速度，文章對機械手臂的設計參數(shù)為最大移動速度為1.0m/s，回轉(zhuǎn)速度為90°/s，移動速度為0.8m/s。手臂設計要具有速度性，它是實現(xiàn)抓取效率的關鍵部位。

2.3 控制設計

控制設計是基于PLC的氣動抓取式機械手設計的難點，具有較大的復雜性，同時，控制設計也關系到了機械手能否發(fā)揮真正的作用。在控制設計過程中，需要考慮到機械手的通用性，并且采用點位控制方式，實現(xiàn)精確控制?？刂圃O計時，要注重PLC工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用。關于利用PLC自動化控制系統(tǒng)進行機械手控制的問題，如圖1所示[3]。

PLC在實現(xiàn)這一目標時，需要通過程序編制，并且對程序進行執(zhí)行處理，才能實現(xiàn)。PLC應用于氣動抓取式機械手設計時，主要涉及到了以下設備裝置：中央處理器、系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器、電源、編程器五大部分。這五個部分當中，中央處理器是PLC系統(tǒng)的核心，對氣動抓取式機械手進行控制，電源、線路是實現(xiàn)PLC系統(tǒng)進行相關程序操作的關鍵。同時，編程器、系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器之間，需要通過I/O信號輸入，才能實現(xiàn)效果。

PLC控制作用發(fā)揮時，需要事先有PLC系統(tǒng)進行命令，并且通過總機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將指令進行傳達，實現(xiàn)信號輸送。關于PLC的氣動抓取式機械手的工作情況，主要如下：機械手位于初始位置，受到控制系統(tǒng)控制，執(zhí)行系統(tǒng)將推動機械手進行運動。同時，機械手各個主要部位受到執(zhí)行系統(tǒng)控制，執(zhí)行系統(tǒng)通過完成主系統(tǒng)下達的任務，進行機械手控制，完成機械手操作任務?；赑LC的氣動抓取式工業(yè)機械手設計，將更加廣泛的應用于自動化生產(chǎn)線。國外很多國家已將其成功的應用于成套的自動化生產(chǎn)設備中。機械手未來的發(fā)展，將朝著自動化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展方向邁進，將更好的代替人從事高危險、高危害的工作環(huán)境，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的智能化和自動化。

3 結束語

綜上所述，文章主要分析了基于PLC的氣動抓取式機械手的設計原理、設計方案、控制設計三個部分內(nèi)容，并就氣動抓取式機械手的特點進行了分析，實現(xiàn)了氣動抓取式機械手的設計。氣動抓取式機械手在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到了重要的輔助作用，在實際設計過程中，必須注重這一點，使機械手設計能夠更好地促進工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進步，滿足我國現(xiàn)代工業(yè)更加自動化、智能化的發(fā)展需要。

參考文獻

[1]蔣浩.基于PLC的工業(yè)機械手運動控制系統(tǒng)設計[D].南京信息工程大學，2012.

[2]張海英.基于PLC的氣動吸盤式工業(yè)機械手設計[J].液壓氣動與密封，2013，3：74-76.

篇7

關鍵詞：數(shù)控機床; 設計流程;機械行業(yè)

隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。我國在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。

1 機械手的優(yōu)勢和應用

機械手實施方案具有速度快、工作效率高、負載能力強、移位精度高及故障出現(xiàn)頻率低等諸多方面的優(yōu)點。機械手在DK050機床上的成功運用，是數(shù)控機床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機床的生產(chǎn)過程中，機械手的開發(fā)和運用將會得到前所未有的發(fā)揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產(chǎn)生較大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。

2 機械手手爪架構的設計

機械手手爪的類型較多，其主要用于作業(yè)的操作和裝置，按照不同的作業(yè)方法和操作，可以將手爪分為測量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業(yè)的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設備，其主要用于對作業(yè)的檢驗和測量。在機械手手爪的設計過程中，應當遵循以下幾個方面的要求：其一，根據(jù)機械手作業(yè)的具體要求對機械手手爪進行相應的設計和開發(fā)；其二，機械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構設計比較繁瑣，有時還會出現(xiàn)無法實現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實際應用為出發(fā)點，將重點應放在對各類專用的、工作效率較高的機械手的研究和設計上，確保工業(yè)機械手的所有工作性能的實現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應當考慮機械手在設計過程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機械手爪的通用性，即為通過數(shù)量有限的手爪來適應不同要求的機械手，這就給末端執(zhí)行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個標準的機械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標準化運用。

3 控制方式的設計及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大(質(zhì)量達30KG)，以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件，而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。

3.2 工藝流程與設計。 機械手的動作有腰座的旋轉(zhuǎn)、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現(xiàn)驅(qū)動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進電動機與齒輪來實現(xiàn)。實現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥(夾緊電磁閥)來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當機械手旋轉(zhuǎn)到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)，同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

本設計通過對機械設計制造理論知識及實踐進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結合。機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調(diào)整、手動及自動控制；系統(tǒng)結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低；PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I／O點的接線稍作修改，或?qū)／0重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經(jīng)過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

4 結束語

目前，國內(nèi)外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PLC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便；機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展；關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。

參考文獻

篇8

關鍵詞：PLC控制 氣動驅(qū)動 工業(yè)機械手

在工業(yè)生產(chǎn)領域中，工人在工作的時候經(jīng)常會遇到高溫、腐蝕和有毒氣體的侵害。這些侵害不僅加大了工人的勞動強度，而且還會危及工人的生命安全。為了減輕工人的勞動強度，保障工人的生命安全，工業(yè)機器人由此誕生。

工業(yè)機器人執(zhí)行機構是機械手，它可以模仿人手動作，按照指定的程序和預定的軌跡進行自動抓取和搬運，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場操作的自動化。機械手按驅(qū)動方式可以分為液壓式、氣動式、電動式和機械式。可編程控制器（PLC）是專門為工業(yè)應用設計的利用數(shù)字運算操作的電子裝置。它具有可靠性高、功能強大、編程簡單、人機交互界面友好等特點，廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。

筆者設計了一款PLC控制的氣動驅(qū)動式機械手，實現(xiàn)機械生產(chǎn)過程中的自動上料、下料等裝卸任務，從而達到提高工業(yè)自動化生產(chǎn)效率的目的。

一、機械手組成

機械手主要由執(zhí)行機構、氣動驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。組成如圖1所示。

圖1 機械手組成控制原理方框圖

其中執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。氣動驅(qū)動系統(tǒng)包括利用氣體壓力來驅(qū)動機械手執(zhí)行機構的動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置。PLC是控制機械手動作的控制系統(tǒng)。

二、氣動機械手設計方案

氣動機械手的特點是快、穩(wěn)、準，要求能夠快速、準確地拾放和搬運物件，而且要有足夠的空間、靈活的自由度以及任意位置的自動定位等。

1.物理選型：坐標式選擇與自由度分析（參見圖2）

（a）

（b）

圖2 機械手結構示意簡圖

根據(jù)機械手手臂的運行方式不同、組合情況，其坐標可以分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。對于本次設計的機械手需要實現(xiàn)在上下料時實現(xiàn)手臂的升降、收縮和回轉(zhuǎn)運動，所以采用圓柱坐標。為了彌補升降運動行程比較小的缺點，故增加手臂擺動結構，即增加了一個手臂上下擺動的自由度。這樣，手臂有四個自由度，包括手臂的上下升降、左右回轉(zhuǎn)、前后伸縮，上下擺動，若將立柱的橫向移動包含在內(nèi)，手臂有5個自由度；手腕有左右回轉(zhuǎn)和左右擺動兩個自由度，手指有開閉運動和上下擺動兩個自由度。整個系統(tǒng)共有九個自由度）。

2.結構方案設計

（1）手指?？紤]機械手的通用性，故把手指結構設計成可更換性，比如棒料可以用夾持式手部夾取，板料則要用氣流負壓式吸盤吸取。用1個汽缸控制開閉， 1個電動機控制上下擺動。

（2）手腕?？紤]機械手的通用性，且被抓取的工件是水平放置的，手腕設計成回轉(zhuǎn)結構，由2個回轉(zhuǎn)電動機來驅(qū)動手腕進行回轉(zhuǎn)運動和左右擺動。

（3）手臂。根據(jù)抓取工件的要求，機械手的手臂設有五個自由度，包括手臂的上下升降、左右回轉(zhuǎn)、前后伸縮，上下擺動以及立柱的橫向移動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降是由立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動也就是手臂的橫移、手臂的各種運動都是由5個汽缸或電動機來驅(qū)動實現(xiàn)的。

3.驅(qū)動方案設計

機械手的驅(qū)動采用氣動驅(qū)動方式。氣壓傳動系統(tǒng)的反應比較靈敏，動作比較迅速，阻力產(chǎn)生的損失較小，泄漏也比較小，成本低（參見圖3）。

圖3 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖

氣源由空氣壓縮機（排氣壓力大于0.4～0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制機械手動作。

各執(zhí)行機構調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結構簡單，效果尚好。手臂伸縮汽缸在接近汽缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程的速度。升降汽缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成，氣液傳送器汽缸側的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作汽缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。

4.控制方式選擇

為了增強機械手的通用性，同時采用點位控制，我們采用可編程控制器（PLC）來控制機械手的運動（參見圖4）。我們只需要改變PLC程序，就可以改變機械手的動作流程，使用起來非常方便。

（1）PLC的結構（參見圖5）。PLC是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，一般由中央處理器、編程器、系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器和電源組成。

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。

（2）系統(tǒng)輸入/輸出分布表見表1，電磁閥和系統(tǒng)輸出對應表見表2。

（3）電路的總體設計。由于篇幅的關系，筆者僅列出含5個主要自由度（手臂的左右回轉(zhuǎn)、手臂的伸縮、手臂的升降、手指的夾緊、手腕回轉(zhuǎn)）的電路設計，并以此來進行PLC編程，回路設計見圖6。

圖6 系統(tǒng)實現(xiàn)功能示意圖

（4）機械手的程序設計。自動線的輸送動作由步進電動機帶動實現(xiàn)間隔輸送，實現(xiàn)設計要求的輸送狀況。其工作的過程是：機械手首先處于初始位置，然后經(jīng)過一系列的動作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測開關檢測到工件被取走。然后傳送帶開始轉(zhuǎn)動，當檢測到下一個工件時傳送帶停止轉(zhuǎn)動等待機械手來取工件，只要機械手取走工件，傳送帶就開始轉(zhuǎn)動，這樣設計是為了節(jié)省工作時間從而不會出現(xiàn)機械手等待傳送帶的時間。對程序的要求如下：①首先啟動機械手。機械手自動復位，處于初始位置。②在機械手工作前要對其進行設備的檢測。即機械手空運行一次，而且機械手的每一個動作都有相應的定時器進行監(jiān)控，若超出規(guī)定的運行時間則認為是設備出現(xiàn)故障。③機械手設有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用）只有出現(xiàn)緊急情況時才允許按此按鈕。按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯(lián)系，將被切斷各汽缸處于無動力狀態(tài)。

（5）步進電動機的運行控制。由于對傳送帶的速度和精度要求不太高，選擇三相步進電動機通電方式為三相雙三拍，利用PLC中的M8014特殊功能繼電器向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖，然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和功放電路驅(qū)動步進電動機。

環(huán)形脈沖分配器選擇YB01芯片，此芯片為專用三相步進電動機環(huán)形脈沖分配器，此芯片工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良，在實際生產(chǎn)中被廣泛應用。

①步數(shù)控制。當對射式光電檢測開關檢測到共建的位置時，此時停止向脈沖分配器中發(fā)送脈沖，步進電動機將停在此位置不動。

②手動控制步進電動機。當按下手動啟動步進電動機按鈕時，M8013即向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖，步進電動機開始轉(zhuǎn)動；當按下停止按鈕時，步進電動機將停止。

③在報警和暫停狀態(tài)下，步進電動機也將停止轉(zhuǎn)動。

由此可見，步進電動機控制程序如下：

（6）各模塊的程序設計。

①程序初始化。采用中間繼電器M8002，中間繼電器對系統(tǒng)各部分復位，定義各種標志包括系統(tǒng)初始化標志，系統(tǒng)啟動暫停、急停、復位等標志，程序如下：

②定義系統(tǒng)復位標志M0。M0定義為系統(tǒng)初復位標志，它由機械手的右限位開關X0，下限位開關X5，收縮限位開關X3，手腕右轉(zhuǎn)限位開關X10同時激活，程序如下：

③定義系統(tǒng)啟動標志M1。M1定義為系統(tǒng)啟動標志由啟動按鈕和M0共同激活，程序如下：

④定義暫停標志M2。M2為暫停標志由暫停按鈕激活，程序如下：

⑤定義急停標志M4。M4定義為急停標志，由急停按鈕X19激活M4，同時激活特殊功能繼電器M574（禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)換），安全閥將儲氣罐與機械手的聯(lián)系切斷，程序如下：

⑥定義系統(tǒng)復位標志M5。M5定義為系統(tǒng)復位標志，由復位按鈕激活，當按下復位按鈕系統(tǒng)時將向右轉(zhuǎn)，手腕右轉(zhuǎn)，手臂收回，機械手下降，機械手右轉(zhuǎn)的順序進行復位。當最后一個動作完成、下限位開關有效時，程序?qū)?zhí)行RST M5，程序如下：

⑦機械手自檢程序。機械手按照給定的順序（手抓加緊松開﹑手腕右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)﹑手臂伸長收縮﹑機械手左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)）空執(zhí)行一次，在每一個動作執(zhí)行的過程中都會有定時器對每個動作進行監(jiān)控。若超過設定時間（定時器設定的時間都超過每個動作的時間）則認為是機械系統(tǒng)出錯，停止當前的動作發(fā)出報警信號，程序如下：

⑧自動運行程序。此模式為機械手工作的主要模式，這部分采用具有保持功能的狀態(tài)組件S500-S899，可以讓機械手在斷電后再次通電繼續(xù)執(zhí)行斷電前的動作，程序如下：

三、結語

總之，本次設計的是氣動通用機械手。相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。采用氣動式驅(qū)動，動作快速，能夠?qū)崿F(xiàn)準確定位，自動定位，控制性能好，能夠很好地適應各種惡劣的工作環(huán)境，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。而且阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境，同時成本低廉。采用PLC控制，可靠性高、可編程性強，無論是進行時間控制，或是進行行程控制、混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)，根據(jù)機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強，很好地適應了工業(yè)控制的要求。

參考文獻：

[1]李建國.基于PLC的氣動機械手的改裝設計[J].液壓與氣動，2011（8）.

[2]關明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2012（14）.

篇9

【關鍵詞】綜合職業(yè)技能；學期項目式教學；氣動機械手；機械結構

1.前言

職業(yè)教育在中國當前的教育形式中起著重要的作用，但在教學實施過程中，存在對知識掌握單一性的問題。如何提高學生的綜合職業(yè)技能，是解決當前教學過程中的重要課題。

通過對國際先進職業(yè)院校的了解和學習，學期項目式教學是提升學生綜合職業(yè)技能的最佳方法。因此針對“氣動機械手的設計與制造在學期項目式教學中的應用”進行探索和研究。

通過氣動機械手的設計與制造在學期項目式教學中讓學生從機械設計、CAD、氣動設計、數(shù)控加工、電氣原理圖的設計、PCL設計等的應用。其次還鍛煉學生組織管理、跨專業(yè)團隊協(xié)作、現(xiàn)場問題的分析與處理、工作效率、安全及文明生產(chǎn)等方面的職業(yè)素養(yǎng)。

2.討論課題

學期開始召集學生討論課題設計思路、技術路線、實施方案及明確責任和分工。

3.機械結構設計

3.1 具體機械結構設計方案

機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。采用氣缸提供動力，杠杠機構原理加緊。

3.2 利用UG軟件進行機械結構設計

采用UG軟件對氣動機械手機械部分進行三維實體建模和各零件、部件、機構裝配，然后再對各機械關節(jié)機構實體模型進行運動仿真。設計效果如圖1所示。

4.機械手材料的采購與加工

考慮到機械手要有一定的強度，但又要便于數(shù)控加工，所以綜合考慮采用鋁合金材料。根據(jù)零件的設計要求，依據(jù)圖紙選用數(shù)控車床、數(shù)控銑床對零件進行數(shù)控加工。

5.電氣原理圖設計

5.1 氣壓的控制

綜合考慮各方面因素，氣壓必須控制在0.6mpa-0.7 mpa之間。

5.2 確定氣壓元件

氣壓執(zhí)行元件大體分為直線氣壓缸和旋轉(zhuǎn)氣缸，氣缸的具體型號見表1。

5.3 擬定氣壓執(zhí)行元件運動控制

氣壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是氣壓回路的核心問題。

速度控制通過改變氣壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量變化來實現(xiàn)。相應的調(diào)速方式有氣量調(diào)節(jié)閥調(diào)速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的氣壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。

本設計的速度控制主要采用氣量調(diào)節(jié)閥調(diào)速，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。

5.4 系統(tǒng)設計

本氣動機械手的電氣設計系統(tǒng)如圖2所示。

6.PLC控制程序的設計

6.1 氣缸工作過程

6.2 電磁閥工作過程

電磁閥控制氣缸的先后循序如表3。

6.3 PLC程序編寫

機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內(nèi)應用較多的日本三菱PLC。具體型號為FX1NC。其PLC程序如圖3。

7.氣動機械手的裝配與調(diào)試

7.1機械部件的安裝；7.2氣路的安裝；7.3電路的安裝；7.4 PLC程序的導入；7.5 PLC程序時間控制和氣路氣量調(diào)節(jié)。

8.結束語

經(jīng)過一學期的項目式教學后，組織老師和學生一起討論研究成果，提出不足及改進之處。通過該項目讓學生在專業(yè)課、技能的應用及學生職業(yè)素養(yǎng)方面的鍛煉都有很大的提高。

參考文獻：

[1]隋冬杰 謝亞青編著.《機械基礎》.復旦大學出版社，2010.

[2]石望遠編著.《液壓與氣動傳動》.國防工業(yè)出版社， 2009.

篇10

腦卒中是由急性腦血管疾病引起的持續(xù)性的大腦神經(jīng)功能缺損，全球85%的腦卒中患者患有偏癱癥狀，患者中中年人居多。腦卒中已經(jīng)成為造成中國、歐洲、美國及其他許多國家的成年人長期殘疾的主要原因，并消耗了大量的社會醫(yī)療資源。腦卒中患者可出現(xiàn)多種神經(jīng)功能缺損癥狀，其中偏癱和運動障礙最為常見，而上肢殘疾患者的手功能障礙往往臨床表現(xiàn)為屈曲攣縮、肌力降低、肌張力異常、手指靈活性降低、肢體麻木、拇指運動范圍減小、精確抓捏、側捏、關節(jié)運動協(xié)調(diào)性降低、力量協(xié)調(diào)性降低等，也會喪失一部分觸覺感知和本體感受功能，失去對運動的反饋感知。有報道顯示，超過70%的腦卒中患者在發(fā)病初期存在上肢功能障礙，在發(fā)病4個月后，仍有超過35%的患者存在手部精細功能下降的情況?？祻陀柧毷谴龠M這些患者恢復的主要方法。但是由于傳統(tǒng)的康復訓練治療時間很長，并且無論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達國家，都始終缺乏合格的治療師。因此，替代傳統(tǒng)治療方法的康復訓練設備的研發(fā)非常有必要。當前的產(chǎn)品主要存在以下方面的不足：第一，目前多數(shù)的上肢康復結構無法做到靈活控制，與人體上肢關節(jié)運動不匹配；第二，現(xiàn)有的康復機構僅能將手操縱成簡單的拳頭屈曲，無法重現(xiàn)康治療師對患者進行的康復訓練效果；第三，外骨骼類型的康復機構一般結構龐大，而且由于不便于攜帶以及對患者不夠安全，實際上并不適合殘疾人士。本研究的目的是開發(fā)一種可用于家庭及康復中心的人機工程機械手臂。與現(xiàn)有的康復設備相比，此設備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復機器人領域的熱門話題和前言，而且可以應用于醫(yī)學臨床應用，具有重要的學術價值和工程應用價值。

2人體康復機器人上肢運動學模型

為了緩解和恢復病人的上肢運動，基于人體上肢的關節(jié)和運動進行了建模?？紤]到康復機械手臂使用者的使用安全，并在進行日常必需的活動（例如進食、抓握、梳洗等）方面提供幫助，對上肢運動解剖范圍進行了初步研究，為此康復機械手臂確定了合適的活動范圍。本文使用普通人手的基本力學行為來簡化設計，此康復機器人可實現(xiàn)的運動如圖1所示，包括四個手指屈-伸運動，大拇指屈-伸運動，手腕屈-伸運動，手腕橈-尺偏運動及前臂內(nèi)翻-旋后?？祻蜋C械手臂可實現(xiàn)的運動范圍如表1所示。根據(jù)典型成年人的關節(jié)和活動范圍為模型，分析上肢的運動特征，建立了修正的D-H參數(shù)表，如表2所示。為了獲得D-H參數(shù)，在此假設坐標系（即在連續(xù)的旋轉(zhuǎn)軸之間映射的鏈接框架，如圖2所示）與關節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸一致并且具有相同數(shù)量的階數(shù)，這些D-H參數(shù)用于獲得齊次傳遞矩陣。

3人體康復機器人上肢機械結構

該設計主要有兩大部件組成，手臂康復訓練部分（圖3）和拇指康復訓練部分（圖4）。手臂部分包括由三個線性執(zhí)行器操作的連桿機構，以方便手、手腕及前臂的鍛煉。使用時，柔軟的腕帶穿過前臂板1后方的兩個槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通過萬向節(jié)機構4與手掌板5浮動連接，腕帶繞過手指板7上的槽與患者手指相連。手及腕部的鍛煉由三個線性執(zhí)行器控制，以更好地促進康復。拇指康復訓練部分由前關節(jié)1、后關節(jié)3、連桿機構4、直線驅(qū)動器5及L型聯(lián)結組成。后關節(jié)上的U型聯(lián)結2與前關節(jié)左右的側板通過U型聯(lián)結浮動連接，前后關節(jié)組成的拇指部分通過連桿機構4與直線執(zhí)行器5連接，整個機構可通過L型聯(lián)結6與其他機構連接。使用時，通過柔軟的腕帶戴在患者拇指上，機械拇指包括前關節(jié)與后關節(jié)，通過連桿相連接，并分別與拇指的前指骨、后指骨相接觸。機械拇指部分與線性執(zhí)行器浮動連接，控制拇指在特定范圍內(nèi)的屈-伸運動，實現(xiàn)了拇指的鍛煉與訓練，以更好地促進患者康復。

4結語