机械手设计论文

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机械手设计论文:智能仓储机械手的结构设计

摘 要：工业机械手在工业生产的各个方面得到广泛使用。文章根据国内外先进的机械手技术，设计出一种用于物料搬运，结构简单，维护方便的机械手的结构。主要设计机械手臂部分和机械手抓手部分的机构。

关键词：机械手；机械手臂；机械手抓手，结构设计

1 引 言

目前工业机械手面临的问题主要还是成本的高昂和精度控制的不易达到要求。从工业机械手的具体应用情况来看，生产过程的机械自动化已成为现代工业的主要问题。虽然现代机械制造业中的加工、装配等各生产工序主要是间断的，但自动化生产中装卸、搬运等工序亟待实现机械化，工业机械手的出现便可满足这一需求。无论国内还是国外，工业机械手的应用前景广阔，而对机械手使用性能的要求则越来越高，面对越来越多样的产品需求，机械手结构上在向着小巧型，灵活型的方向发展，因此机械手结构设计的合理性变的至关重要。

2 机械手结构设计

2.1 机械手手臂部分原理

欲满足机械手的搬运功能，即将货物从某一水平高度提升至另一水平高度，可采用曲柄连杆机构实现规定搬运动作。本课题应用平行四边形机构的运动特点，依靠电动推杆驱动平行四边形机构转动实现货物高度上的变化。

平行四边形机构是一种平面连杆机构，由于构件联接呈平行四边形，因此也叫做平行四边形机构。平行四边形机构结构简单，易于分析，构件运动一致性好，广泛应用于各种实现平移搬运等功能的机构。

2.2 机械手手臂部分结构设计

机械手手臂在整个工作过程中起着至关重要的作用。本文所设计的机械手臂为平行四边形机构，由于机械手臂也是机械手负载的主要施加部位，故应具有良好的强度与刚度，保证在机械手工作中不能发生弯曲或折断的情况，同时搬运机构若过于沉重则会影响搬运功能的实现。

工业铝型材表面经氧化处理后，外观漂亮且耐脏，工作中沾染的油污易于清洗，可根据不同承重采用不同规格型材组装，同时搭配铝型材配件，无需焊接，安装拆卸方便，轻便环保，整体机械性能较好，广泛应用于生产制造行业。

本文的搬运机构选用密度小强度大并广泛应用于工业机械手行业的工业铝型材较为合适。机械手手臂结构整体布局及各个部件，如图1所示。

机构中的工业铝型材之间通过铰接的方式联接而成，支撑连杆梁1通过销轴5与固定在底座板材上的连接件联接，由角铝3将支撑梁与联接电动推杆4的横梁联接起来，而电动推杆4与底座板材则通过电动推杆连接座2固定于底座上。

2.3 机械手抓手部分原理

搬运机械手末端的机械手爪是机械手直接与货物接触的部分，机械手爪能够直接完成对货物的拾取和夹紧动作，它可以依据人手动作通过设计实现相应功能，通常机械手爪被安装在手臂的端部。机械手爪结构形式与人手有较大区别，它的结构外形拥有机械式的特点，通过不同部件的联接组合完成指定运动过程，依靠自身的运动而将物件抱住，故手爪即为主要的传力构件。

本课题所设计机械手的手部结构应为钳爪式，钳爪式手部结构包括手指和传力机构。如图2所示，机械手爪1在电动推杆的驱动下向右移动，当左部碰到左侧连杆机构时带动手爪2处，机械手爪的两部分1、2完成张开手爪动作；当右侧手爪在电动推杆缩回时，手爪2在弹簧作用下回复原来位置实现对货物的抓取动作。

2.4 机械手抓手部分结构设计

对机械手爪设计过程中，应考虑以下几个方面：机械手爪部件至少要有一定负载承受力，在将货物重量计入影响后，鉴于搬运动作中由于颤动所产生的影响也应适当增大设计强度，避免工件发生松动或脱落的情况。

为使机械手爪和被运输货物间保持较为稳定的姿态，应根据货物的实际外形设计相应的末端执行机构形状。所设计机械手爪主要受到被夹持物的反作用力，必须达到设计所需强度和刚度防止手爪断裂或弯曲变形的状况发生，同时设计机械手结构应该简单，缩小尺寸，尽量轻便以免影响运动过程。本文所设计机械手结构，如图3所示。

其中，机械手抓取动作的通过以下动作实现：由电动推杆1伸长驱动一体式小抓手向右移动，同时与一体式小抓手通过螺栓连接的连接杆4被带动向右移动，当连接板5接触到连杆6时，在连杆机构作用下，连杆8将沿水平方向向左移动直至小抓手突出部分完全缩回连接板9内，此时连接板右端面接触货物，电动推杆1缩回直至右侧一体式小抓手3上的连接板与货物接触并实现夹紧，在回缩过程中，当连接板5与连杆6不再接触时，连杆8在弹簧7的作用下回复原位，两个机械手爪的承重板通过支撑货篮的缺口位置，完成对货篮的抓取动作。

3 结 语

本文主要设计一种用于搬运货物的机械手，在生产过程中的搬运货物环节里替代工人，提高工作效率，节约更多的人力成本和物力成本。主要进行机械手的结构设计，通过对机械手臂和机械手抓手的结构设计，使整个机械手机构较为简单，维护方便。

机械手设计论文:一种新型空调换热器自动插翅机械手设计

摘 要：我国是全球最大的白色家电生产国和消费国，现在空调散热翅片国内几家大型空调厂的翅片插管大多都还是工人手动完成。本文介绍的空调换热器自动插翅机械手装置就是将空调换热器中的散热片无损伤地插到已经摆好的U型管中的机械设备。从而达到降低废品率，提高劳动效率和自动化的目的。

关键词：空调换热器；自动插翅；机械手

0 引言

作为全球最大的白色家电生产国和消费国，现在国内大型空调厂的空调散热片翅片插管大多都还是人工插翅，效率较低。而在国际上，日本的日高集团已经成熟的掌握了空调散热器的翅片插管问题。目前正在推广，该设备从翅片冲压到胀管等几个步骤都实现了全自动，不需要人为干预，废品率已经达到了行业要求。但是价格比较昂贵。本文介绍的空调换热器自动插翅机是一种由计算机控制的自动化翅片展开和翅片抓取并将翅片插到已摆好的U型管中的设备。

1 空调换热器插翅机工作流程

如图1，空调换热器插翅机包括：接料部分、翻转翅片、翅片展开、插片机械手和U型管循环5个部分，具有工作效率高，节省人力，废品率低的特点。其工作流程如下：

接料设备将冲压机冲出来的翅片接到接料设备上的接料针上，每20片一组进行循环，当翅片运到接料设备的取片处时，翻转机械手开始工作，翻转机械手先用接料针插入翅片孔内，然后夹取翅片，进行翻转，使得翻孔面是朝上。翻转过后，翻转机械手将翅片放在展开机构上，然后展开机构将按组等距离展开，每组距离为165mm。然后插片机械手开始工作，将展开机构上的翅片全部插入到U型管中后，U型管循环设备将已插好的U型管运走，并将新U型管运到插片位置，整个设备就这样不停地循环。

2 插翅机械手结构

机械手固定在Z轴上，控制其沿Z轴运动，控制机械手沿Z轴运动用线性模组控制。因为直线模组单体运动速度快、重复定位精度高、本体质量轻、占设备空间小、寿命长。因为我们设计的是20个翅片为一个单位，20个翅片落料的是时间为40s，所以分给机械手的时间为12s（一共要插2次，按一次6s，共12s），为了能跟上节拍，使用了两组机械手。同时进行工作，两组机械手同时从两侧向中间插。Y轴方向也用模组驱动。因为跨距为3000mm，而现有的线性模组，一般行程大都小于1600mm，行程过长会导致模组变形和精度降低，承载量会大幅降低。所以这里Y方向，采用两个线性模组。单个线性模组的行程为1400mm。X方向因为行程过大，一侧用行程为2000mm的丝杠和导轨组合驱动，另一侧用直线滑轨导向。

3 插翅机械手动作过程

插翅机械手有3个动作：夹爪左右加紧收缩，夹爪托住翅片上下运动和下压板的下压运动。下面我们就对这三个动作进行详细介绍：

3.1 夹爪左右加紧收缩

当机械手运动到指定位置，机械手开始夹取放在展开机构上的翅片，机械手沿着Z轴向下运动，当机械手上的定位针和展开机构上的定位针对齐并接触时，机械手夹爪开始运动，夹爪向内收缩，运动的距离为25mm，夹爪底部平托住翅片，一个机械手上一侧有4个夹爪托住翅片，防止翅片有过大的挠度变形，一侧机械夹爪托住的宽度，大约为一个翅片宽（翅片宽18.19mm）。

3.2 夹爪托住翅片上下运动

当夹爪左右手缩加紧完成后，夹爪向上运动，将翅片向上抬起，目的是将翅片脱离展开机构的接片针，接片针的长度大约为80mm左右，这就要求机械手夹爪要抬升100mm左右，机械手夹爪不能和翅片有过大的力作用，不能过分的加紧翅片，否则翅片会容易变形（翅片的厚底为0.1mm，易变形）。

3.3 下压板的下压运动

当机械手取翅片时，下压板不运动，当机械手沿Y轴运动到U型管循处时，机械手整体沿Z轴下降，当机械手定位针顶与U形管上的锥帽距离2mm时，机械手开始运动，夹爪拖着翅片向下运动，当夹爪底端到达U形管口下方30mm处（当一次插20片翅片，20片翅片的总厚度约为30mm）时，机械手夹爪开始向两端展开，展开的距离为20mm，因为U形管的直径与翅片孔的直径相差很小（翅片孔的直径为7.3±0.03mm，U形管直径7±0.1mm），所以翅片依靠自身的重力不一定能完全下落，所以这时，下压板开始下压，使翅片完全插进U形管中，同时还可以平整翅片。

4 插齿机械手驱动原理

4.1 夹爪伸缩运动原理

夹爪伸缩运动是通过连杆机构实现的，气缸（图片中左上角）推动推块（绿色）向前运动，推块是在微型导轨上进行滑动，导轨宽为10mm，推块上有4组推杆，推杆推动着4组夹爪进行左右移动，从而实现了前后运动转化为了左右运动。推杆在导轨上移动，同时推块推动着连杆展开，连杆推动着夹爪在滑道里左右运动，实现了展开与合并运动。

4.2 夹爪上下运动原理

夹爪上下运动是通过连杆机构实现的，气缸（左下）先推动着推块（红色）在直线滚珠导轨上向前运动，同时推块连接着连杆（上下），因为导轨底座被限制只能上下运动，所以，当推块带着连杆（上下）向前运动时，连杆顶着导轨底座向上运动从而实现夹爪的上下运动。为了阻止上下运动的支架不前后运动，设计了挡板，在上下运动的支架两端各安装了一个滚轮，滚轮在挡板的阻挡下，只能上下运动，实现了支架的上下运动。

4.3 下压板的下压运动原理

气缸（中间）伸缩带动固定板上下运动，固定板带动导柱进行上下运动，导柱通过螺栓固定在固定板上，同时导柱固定在下压板上，所以气缸运动就传动到下压板上，从而实现下压运动。下压运动的行程即为定位针的长度。

5 结语

本文主要介绍了一种空调换热器自动插片机中的插片机械手的结构与工作原理，该结构的优点在于不需停机的情况下，实现换热器的连续自动插片，减少了人力，提高劳动效率，对于大量依赖人力插翅的当前空调生产线的改进具有一定借鉴意义。

机械手设计论文:光盘库机械手的驱动控制系统的设计

摘 要：光盘库机械手驱动控制系统是光盘库系统的关键部件，对光盘库机械手驱动控制系统进行了设计与实现，控制系统使用STC12C5628AD系列单片机作为控制核心，采用L293及驱动电路实现对机械手电机的驱动控制。按照设计的控制程序流程，进行了驱动控制实验，实验结果表明本系统实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能，快速性和稳定性能够满足光盘库机械手性能的要求，对提升国内光盘库的研究、应用水平有一定的现实意义。

关键词：光盘库，机械手，驱动控制系统，电机

引言

光盘库是以光盘作为存储载体的高可靠性的海量、安全机电一体化近线存储设备，对海量光盘数据进行集中管理，其主要由机械手、光盘架和光驱（CD-ROM驱动器）三部分组成。光盘库广泛地运用于煤矿监控系统，作为数据存储和备份的重要方式，它利用机械手从机柜中选出一张光盘送到驱动器进行读写。光盘库可通过光纤通道或 SCSI 端口与服务器相连，光盘驱动器则通过自身接口与主机交换数据。当用户要访问光盘库时，首先，由机械手将驱动器中的光盘取出并放置到光盘架上的指定位置，为光盘腾出位置，然后，再从光盘架中取出所需的光盘并送入驱动器中。

关于光盘库，国外进行了大量的研究与应用，技术相对领先，但由于技术保密等因素限制，相关研究文献很少，国内从事光盘库产业的公司主要有广州影达影像设备有限公司、上海美佳达计算机工程有限责任公司、福特瑞斯（北京）科技有限公司、北京鸿瑞智达科技有限公司等，但国内光盘库的起步较晚，他们中大多是外国公司的国内，即销售国外光盘库产品，而真正从事光盘库研发的公司很少[1]。

除了光盘驱动器以外，光盘自动换盘机构即机械手要保证安全、高速、准确地将光盘片从库中取出并送入空闲的指定光盘驱动器中，是整个系统中关键的执行机构。另外，光盘库数据的平均访问时间比磁带和磁盘高很多，磁盘的平均寻道时间在毫秒级，显然光盘库的机械手已经成为光盘库系统的性能瓶颈[2][3]。因此，对光盘库机械手控制系统进行设计、开发具有较重要的现实意义，本文设计的机械手将装、卸盘片的功能设计在一起，在主控制电路设计上，将机械手控制、定位检测部分和光盘驱动器中的光头控制部分结合在一起，由一片单片机控制。

1 机械手驱动控制系统设计

要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约，它们之间的相互关系构成机械手控制系统的控制原理，如图1所示。

控制系统使用宏晶科技生产的STC12C5628AD系列单片机作为控制核心，扩展了必要的外围电子元器件。主机通过TTL-RS232电平转换实现与上位机通信，并和从机保持交换数据。接口板模式下根据上位机传来的指令设置输出，把检测到的数据送到上位机。

1.1 电机驱动控制。机械手各活动部件采用直流电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制直流电机转动与停止，各个电机的协调转动。设计的光盘库机械手共需4个直流电机，每个电机上均配有变速箱。一个控制上下移动的大电机额定电压为9V，功率为2.4W;另三个小电机额定电压也为9V，功率为1.1W，分别控制中间支点部分的旋转、机械臂的伸缩和机械手抓放物体。

电机驱动控制电路如图2所示，采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。L293将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机[4][5][6]。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。

1.2 位置检测。初始位置检测利用主机的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程开关，即达到指定位置后断开;INT0和INT1中断来进行位置检测;P1.1-P1.4引脚为电机驱动输出，最后通过P1.0-P1.3口对电机电流进行检测，判断是否堵转。

本设计限位行程开关安放在机械手的四个运行方向上。限位行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当机械手运行时，触碰到限位行程开关，信号处于高电平状态。单片机采集到限位行程开关的高电平信号，发出指令，使机械手停止运行，并进行下一个动作。计数行程开关安装在齿轮旁边，计数行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当电机转动时带动齿轮转动，计数行程开关被触碰处于高电平状态，齿轮每次触碰，单片机记下一个高电平信号，因此只需记录下行程开关的触发次数即可知道电机的转数，从而可控制手臂在垂直方向的位置。

2 控制系统调试

光盘的入库及出库是光盘库自动化管理的一个重要方面。光盘入库和出库不仅仅限于光盘的正确插入和抽取，还包括数据库信息的同步更新，保证光盘库和数据库内容的一致，从而准确地返回客户端请求。光盘正确入库和出库减轻了人工操作的负担，保证了系统正常运行，是光盘库自动化管理的重要组成部分。通过按键或者上位机远程控制，实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能，控制程序流程图如图3所示。

在某个Linux终端向机械手服务端循环发送取盘、放盘指令，使机械手满负荷运行。经测试，该系统平均无故障时间大于30万次，换盘时间最长为7秒，具有运行速度快、工作稳定等特点，如表1所示。

另外，将光盘插入光盘库后，请求光盘的内容，机械手能正确地定位到光盘，并将请求的文件拷贝到本地光盘正确出库，再次请求光盘内容，提示光盘不在光盘库中。

3 结语

本文对光盘库机械手驱动控制系统进行了设计与实现，控制系统采用STC12C5628AD作为控制核心，采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。按照设计的控制程序流程进行驱动控制实验，实验结果表明本系统实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能，快速性和稳定性能够满足光盘库机械手性能的要求。本项目是对光盘库系统实际开发工作的一次尝试，对提升国内光盘库的研究、应用水平有一定的现实意义。

（作者单位：苏州市职业大学机电工程学院 来稿日期：2015-06-17）

机械手设计论文:基于液压驱动的注塑机上料机械手的设计与研究

【摘 要】本文依据液压机械手的组成和运作原理，以四自由度液压机械手为例，设计了一款注塑机嵌件自动上料液压机械手，并验证其功能的可靠性。

【关键词】四自由度；液压控制；机械手；嵌件上料

0 引言

随着工业生产自动化的快速发展，机械手因其高效和灵活的特点被广泛的关注和应用。机械手是一种可以模仿人手和臂的某些动作功能，并按照设定的轨迹、要求和程序抓取、搬运工件或进行操作工具的自动化装置，尤其适用于较大规模、自动化流程生产和一些复杂的生产环境中；例如高温、粉尘、放射性强、噪音较大的生产环境。机械手的应用对于提高机械生产率，降低工人的劳动强度，保障一线工人的安全都具有重要的意义。目前机械手常用的三种驱动方式为：液压驱动、气压驱动、电机驱动，其中液压驱动以输出转矩大，动作灵敏，可实现无极调速，调速范围较大的特点，多被用于运动速度较低并且扭矩要求较大的工作场合。

随着注塑行业的发展，人们对于塑料制品的需求量越来越大，对于塑件的工艺和强度也提出了新要求。为了提高塑件的局部强度，嵌件在塑件加工中被广泛使用。然而工厂在生产过程中手工安装嵌件的居多，这中安装方式效率低下，严重影响了注塑机的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自动上料机械手需求愈加强烈。

1 液压机械手基本组成

本文设计了一款四自由度液压机械手，通过液压缸进行控制，可以实现手臂的升降运动、伸缩运动、旋转运动，以及夹持部分的夹紧运动。其结构示意图如图 1 所示。

液压机械手主要包括控制系统、传动装置、执行机构、传感器装置等。其中，机械手的核心部分是控制系统，它是用以控制整个系统具体的运动过程。液压驱动是执行机构运行的传动装置。在机械手的组成中，最重要的是执行机构，而执行机构也同样是机械手内部的主体部分，机械手的执行机构是其夹持部分，主要由拉簧、杠杆、手指、楔块、杠杆支座、夹紧缸体等部分组成，其结构组成如图 2所示。

2 液压机械手运作原理

2.1 机械手运作原理

液压机械手可实现在两台立式注塑机之间交替进行安装嵌件的工作。机械手拥有四个自由度，分别为手臂的升降运动、手臂的旋转运动、手臂的伸缩运动，以及夹持部分的夹紧运动。采用液压驱动的控制方式，以圆柱坐标作为坐标形式，其动作原理如图3所示。液压机械手开始运行，首先手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并顺时针旋转90°到注塑机1上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置B，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机1开始工作；其次手臂下降到嵌件上方预定位置A，张开机械手夹持装置，机械手手臂下降到嵌件上方，夹持装置夹紧嵌件，随后机械手臂上升到起始位置，并逆时针旋转90°到注塑机2上方位置，手臂开始向前伸出到注塑机上方预定位置C，手臂下降到指定位置，夹持装置松开，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂缩回，顺时针旋转90°回到原点位置，注塑机2开始工作，机械手第一个工作周期完成，待注塑机1完成运作，机械手开始下一周期的工作。

2.2 液压系统的设计

机械手搬运物体是依靠液压系统实现的，液压系统是机械手运动的主要驱动方式，是机械手运动过程的核心控制部分。主要用来完成机械手的夹紧/松开、上/下伸缩、前/后运动以及旋转运动。机械手运动过程的液压系统主要由油泵、执行油缸、控制调节装置、以及辅助装置组成。此次设计中系统的主要参数如下表1、表2、表3所示。

2.3 液压系统元件的选择

（1）手部夹紧缸的分析计算

3 结论

本文简要介绍了液压机械收的组成及工作原理，设计完成一款由液压驱动的、可实现两台注塑机嵌件上下料的四自由度机械手，并对液压机械手的工作可靠性进行了验证。结合数据，液压机械手简单可靠，稳定性较好，可实现较重嵌件的安装工作。

机械手设计论文:搬运机械手仿真设计和制作探讨

[摘 要]搬运机械手根据坐标可以分为很多种，例如：直角坐标型和极坐标型还有圆柱坐标型以及多关节型等。搬运机械手是一个自动化的设备，对搬运焊接以及装配等有着很大的作用，国内外都在不断研究搬运机械手，企业的生产经营走向自动化。本文设计的搬运手主要是用于冰箱U壳的搬运。

[关键词]搬运机械手 仿真设计 制作探讨

引言

机械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些动作，根据固定工序进行抓取和搬运物品的一种机械电子装置。可以帮助人们有效生产，降低劳动强度。机械手在生产中运用越来越广。

1、U壳搬运机械手的结构设计

1.1 滑座部件结构设计

U壳搬运手设备也是自动化设备，它的主要作用就是将冰箱U壳搬运到传送带上[1]。它的滑座部分支撑着设备的水平移动。衡器缸和z轴承载着设备的主要重量，但是它们之间的固定需要依靠滑座部件的中间部分，同时滑座中间部分的右侧还可以控制水平交流伺服电机和行星齿轮减速器，减速器和齿条的连接需要借助齿轮来实现。滑座在水平移动的最大距离为1.5米，并且滚珠丝不易于加工，以及它在市场上的价格比较高，所以选择齿轮齿条来减速。

1.2 z轴结构设计

Z轴结构是用于竖直移动。Z轴结构的最左端是交流伺服电机，电机是维持设备的安全，因为它具有过载能力且带有抱闸系统，一旦发生故障时，抱闸系统就可以对电机进行抱死[2]。与z轴相连的是片联轴器，它是有金属制作而成的，拥有减震和无需润滑和维护等特点。Z轴系部件的左边有2个角接触球轴承，角接触球轴承可以对竖直的载荷进行抵消。Z轴结构中间是丝杠螺母传动装置，特点就是损伤小和效率高。Z轴系部件的设计原理是一端固定一端移动，轴的移动方向是经过严格控制的，它是由固定制成装置完成的。轴的伸缩变化时随着温度变化的，游动轴控制着温度。Z轴两边运用直线的导轨，帮助z轴做竖直运动。Z轴上有两个行程开关和光电开关，它的主要功能就是确定对竖直方向限位和竖直零位。1.3开1.3合横梁结构设计

Z轴和手爪的连接需要依靠开合横梁装置，开合装置依靠六组螺栓就可以实现和z轴的连接，并且它前后有依次有开合气缸，气缸上安装了传感器的端锁，这样气缸的位置就是由传感器进行控制的，端锁是固定气缸，避免气缸在停止运行时还会继续运动。装置的大臂和小臂在直线导轨上的水平运动需要气缸的引领。

1.4 夹爪结构设计

夹爪结构包括大臂和小臂以及手爪挡板。大臂上端连接开合横梁装置，并且连接处需要加强加固处理，这样就可以保证装置安全性能。大臂下段与小臂相连，它们之间的连接需要连接轴来实现的，小臂的转动是需要连接臂和连接轴之间相互配合才能完成的。小臂上端是挡板装置，它的主要作用是当小臂停止转动，减少小臂和大臂阻尼撞击，达到减缓振动的作用。内支撑气缸和直线轴带动手爪挡板装置是用来帮助小臂进行夹持活动。开合气缸带动大、小臂对冰箱u壳进行夹持；小臂上的气缸保证u壳在夹持时，形状是完好的，所以它们的夹持都是由外而内进行的。

2、搬运机械手的仿真设计

2.1 小臂结构的仿真设计

为了满足生产需要通常将小臂的旋转过程时间控制在两秒以内，气缸的启动回路控制着进出口节流回路，所以通过控制调节节流阀的横截面积就能够对活塞运动速度进行控制，让小臂在两秒之内完成九十度的旋转，因为节流阀会影响活塞运动速度[3]。同时，小臂在旋转过程中，气缸力矩会大于或者等于重力矩，并且气缸力臂是在逐渐变小，重力力矩又不断变大，这就导致小臂的加速度数值越来越小。同时旋转时间越长缓冲力越小，并且负载厚度和负载质量也越大。在这里选取旋转时间为1.2秒时，计算出负载厚度压迫保持在0.66米 ，负载质量要控制在50千克，这时候的缓冲力就是10429牛顿，所以，通常设置小臂运动时间在1.2秒和2秒之间，负载厚度（U壳厚度）保持在0.49米和0.66米之间，这就要求负载质量（冰箱质量）控制在0和50千克之间。这就可以分析出小臂的应力是够满足生产需求。

对小臂结构的仿真设计不仅表现在对冲击力的校核，同时还要对小臂变形与强度进行校核。小臂的强度校核主要是运用相应的模型和ansys静力分析理论来完成的。并运用相应的数学计算可以得出，小臂不易发生变形，无论使用环境有多恶劣，它都可以正常工作。

2.2 连接臂结构的仿真设计

连接臂的结构设计也需要ansys进行分析，ansys分析程序包括：设计变量初始化，这就要求在进行分析前处理器应该根据设计变量的初始值进行输入；定义问题，前处理器的主要任务就制定出最优化的有限元模型；执行初始结构状态结构分析，应力和应变；力以及变形量就是来源于状态结构分析；获得计算结果，它的主要工作就是收集和存储目标函数和约束条件值；进行仿真设计分析，它的任务就是对相关文件以及变量和设计方法进行分析；结果输出，根据分析的数据绘制出相应的变化图表。根据相应的理论和运用ansys 系统分析，可以得出在对小臂进行设计时u，它的半径是九毫米，厚度保持在十三毫米之间。

2.3 支撑架结构的仿真设计

支撑架的仿真设计主要是通过对支撑架结构的瞬间动力学进行分析，得出它的振动幅度和的速度。在对支撑架结构进行仿真设计时，首先是通过运用软件ansys对支撑架建立相应的模型，并设计支撑架的参数。根据ansys软件分析的数据我们可以发现当u壳材料是Q235时，它的弹性木梁是210000mpa，泊松比为0.3，密度是7850千克每立方米。这就可以对支撑架进行瞬态动力学分析，并确定支撑架在不同冲击力喜爱振动幅度的变化以及支撑架的其他特点。

3、u壳搬运机械手的控制软件设计

3.1 机械手初始化

机械手初始化包括水平和竖直都归零，同时，所有的气缸恢复初始化。电机归零的方法可以通过对电机2坐标轴安装零位信号，并且在进行归零处理中选择先高速后低速的方式进行归零处理，归零处理一共要进过三次不同方向的瑰丽处理，才能达到让电机彻底的归零[4]。在首次归零处理时，就可以将正向高速归零；接着启动第二次归零程序，让反向的低速也归零，使用puls设置脉冲量，sped决定着是否执行操作；最后一次归零处理时让它向正向低速归零，sped是启动归零处理程序，ini则是让归零处理程序停止，这时候电机就彻底的归零 。同时，归零过程中脉冲值是在触摸屏中显示的，数值通过脉冲传送到寄存器中，寄存器就将数值显示在触摸屏中。它们之间相互配合才使得电机归零顺利完成。

3.2 触摸屏控制

搬运机械手的触摸屏控制是在气缸复位和机械手自动循环完成之后进行的，对触摸屏控制主要包括u型伴型号输入界面和主菜单界面以及手动运行和分布运行以及自动运行和坚实画面和系统设置[5]。其中，手动运行包括对伺服电机手动运行和气缸与吸盘手动运行，分布运行时针对自动循环单步运行，自动运行的主要包括：示教点参数设置1和示教点参数设置2以及自动运行调整界面，监视画面是对伺服电机坐标以及气缸与吸盘和系统故障报警实施监控，系统设置是对司机电机速度以及触摸屏系统的参数进行设置。

总结

U壳搬运机械手的设计运用先进的科学技术，并应用了ansys等系统软件来帮助u型搬运机械手的设计，对支撑架和连接臂以及小臂的仿真设计中分析它们相应的参数。冰箱u型搬运机械手的仿真设计和制作，让冰箱u壳的搬运实现自动化，为企业生产经营提供便利。

机械手设计论文:基于plc的三自由度机械手控制系统设计与实现

[摘 要]文章从三自由度机械手控制系统的角度入手，在plc可编程控制器支持下，对三自由度机械手控制系统的结构运动特点进行了简要分析，然后重点对plc下三自由度机械手控制系统的硬件、软件设计与实现要点展开研究，望能够使三自由度机械手控制系统的综合性能更加完善与可靠。

[关键词]机械手 三自由度 控制系统 PLC 设计

在工业化生产中，机械手能够对人的手臂部位动作进行模拟，操作人员可以通过预先设置机械手运行轨迹，动作程序等相关参数的方式，在实际工况中代替人手执行工件搬运、抓取、以及操持等相关工作，具有机电一体化的特点，在现代机械一体化领域中有着非常重要的应用价值。随着现代科学技术的不断发展与完善，机械手的应用范围也在不断扩大，为了能够满足现实工况对机械手操作的要求，当前已经成功研发了基于三自由度的机械手，即3D机器人。此类机械手能够支持对三个自由度方向（包括水平方向、垂直方向、以及旋转方向在内）的手臂操作，在机械化生产中具有操作灵活性好，应用范围广，以及操作范围大的特点。而通过引入plc的方式，能够使三自由度机械手控制系统的整体功能更为完善，以达到提高其综合使用价值的目的。

1 三自由度机械手控制系统结构运动特点

下图（如图1）为三自由度机械手控制系统的基本结构示意图，整个控制系统结构具有圆柱坐标型特点。结合图1来看，控制系统内，伸缩步进电机可以实现对机械手手臂左右方向运动的控制，而升降步进电机则能够实现对机械手手臂上下方向运动的控制。逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。图1中，SQ1、2、5、6分别为水平风向以及垂直方向上的限位开关装置，SQ3、4则为原点所对应的光接近开关以及终点所对应的光接近开关。在整个控制系统的运行中，操作人员可以通过预先设置操作程序的方式，实现对工件的搬运、抓取、以及操持等相关操作。

2 基于plc的硬件设计方法

从三自由度机械手实际应用的角度上来说，为了满足不同工况对系统运行所提出的要求，机械手需要同时支持自动工作以及手动工作两种运行模式。同时，在自动控制模式中，需要根据操作需求，支持包括返回原点、单步骤、单周期、以及连续性四种工作方式。

在引入plc控制器的条件下，三自由度机械手控制系统优先选择具有晶体管输出特点的plc控制器装置（本文中选择三菱FX2N系列plc控制器）。该型号plc控制器共对应有10个信号输出点以及14个信号输入点，能够满足三自由度机械手控制系统对plc控制器中I/O点数的具体要求。且该型号plc控制器为晶体管输出，输出高速脉冲信号最高频率为100kHz，能够在系统运行过程当中直接面向步进电机驱动器提供脉冲信号支持。

与之相对应的输入控制信号地址分配情况为：①复位信号对应输出地址分配为IO.0；②步进电机正转信号对应输出地址分配为IO.1；③步进电机反转信号对应输出地址分配为IO.2；④电机转动停止信号对应输出地址分配为IO.3；⑤手臂伸出信号对应输出地址分配为IO.4；⑥手臂收回信号对应输出地址分配为IO.5；⑦手抓下放信号对应输出地址分配为IO.6；⑧手抓提升信号对应输出地址分配为IO.7；⑨手抓开信号对应输出地址分配为I1.0；⑩手抓合信号对应输出地址分配为I1.1；？自动演示信号对应输出地址分配为I1.2。输出控制信号地址分配情况为：①步进电机脉冲输出信号对应输出地址分配为Q0.0；②步进电机转动方向信号对应输出地址分配为Q0.1；③气缸4#电磁阀控制信号对应输出地址分配为Q0.2；④气缸5#电磁阀控制信号对应输出地址分配为Q0.3；⑤气缸6#电磁阀控制信号对应输出地址分配为Q0.4。

同时，步进电气驱动器选用SH-20403型。整个机械手控制系统的外部接线方案如下图所示（如图2）。

结合图2来看，在三自由度机械手控制系统的运行过程当中，当机械手在最上方（最右方），同时底盘旋转至X3光接近开关，夹紧装置处于松开状态下时，整个控制系统处于自动控制模式下的原点控制状态下。如图2中，X10为系统手动控制按钮，操作该按钮，能够对X20～X27的按键开关进行手动控制。而X11～X15则分别为系统自动控制模式下返回原点状态按钮，单步骤状态按钮，单周期状态按钮，以及连续工作按钮，通过按下X11～X15任意操作按钮并启动X0的方式，能够执行相应的工作模式。

3 基于plc的软件设计方法

在选择以单步骤、单周期、或连续工作方式运行前，整个控制系统应当处于原点状态，若未满足该条件，则需要选择返回原点的工作方式。在这一过程当中，相关操作指令的执行流程应当为：第一步，做上行方向移动至X1上限位；第二步，做右侧方向移动至X2右限位；第三步，做顺时针旋转移动至X3光接近开关装置；第四步，松开夹紧装置。

在 plc系统支持下，整个三自由度机械手控制系统的自动工作方式顺序功能可如下图所示（见图3）。结合图3，在控制系统对相关操作进行响应的过程当中，可通过对步进电机所输入脉冲频率参数进行调整的方式，实现对三自由度机械手手臂运动速度的合理调整。而脉冲数则决定了机械手臂在沿下行方向以及做性方向运动的距离。而脉冲频率参数以及脉冲数的设计可以在工业现场实际工况中进行设定，具有重复操作的特点。

整个基于plc系统的三自由度机械手控制系统在软件设计过程当中以基于plc技术的梯形图顺序编程为依据，脉冲个数基于MOV指令进行设定，脉冲输出则通过PLSY脉冲输出指令的方式进行设定。在指定脉冲输出完成后，指令执行完成标志M8029置1。需要注意的一点是，由于基于PLSY的操作指令仅能够使用一次，但控制系统中所配置的两个步进电机需要同时有脉冲输出信号。因此，在软件设计中，通过面向两个步进电机引入外部继电器的方式解决该问题。软件设计中，将Y0点输出脉冲与继电器动触点结合，常开触点则与电机驱动器脉冲信号输出端连接，上/下脉冲控制以及左/右脉冲控制则与两个外部继电器的控制端进行连接，根据这种方式，能够通过操作上/下脉冲控制以及左/右脉冲控制的方式，实现对步进电机脉冲输入的合理控制。

与此同时，从基于plc系统的三自由度机械手控制系统复位操作角度上来说，软件设计中可应用特殊存储器SM0.1位以及按键10.0的方式进行控制。在plc控制器收次扫描的过程中，状态取值为1，可直接用于机械手控制系统的上电复位操作。同时，操作人员可以根据现场运行情况，对plc控制器所产生的PTO脉冲信号进行合理设置，并经过Q0.0输出点输出信号，实现复位指令。

4 结束语

PLC可编程控制器是一种专门用于工业领域的电子控制装置，该电子控制装置是基于数字运算操作的方式所实现的。在PLC控制器的实际运行中，具有包括功能强大，可靠性高，编程简单，以及人机交互界面友好等多个方面的特点，在工业控制系统以及机电一体化产品设计中有着非常好的应用价值。本次研究中，从PLC的角度入手，对三自由度机械手控制系统的设计与实现进行了分析，该控制系统实现了电动式机械手与气动式机械手优点的融合，除了具有操作简单，定位精确的优势以外，还有效节约了行程开关以及I/O端口，综合优势非常确切。

机械手设计论文:基于“三自由度关节型机械手”对回转关节的研究与设计

摘 要：关节型机械手是一类具有与人手肘类似的“关节”，可以模拟人手操作的自动化装置。它主要以电气结合的方式驱动，再通过齿轮等进行机械传动。但因为机械摩擦较大，传动部位（回转关节）仍有改进的空间。结合开关磁阻电机的原理，该文探讨了一种利用电磁驱动的新型回转关节。这一设计有效地避免了齿轮传动带来的机械摩擦损耗。

关键词：三自由度关节型机械手 开关磁阻电机原理 新型回转关节

机械手是一种智能装置，能够实现模拟人手的所有动作。在实际的工作过程中，机械手会按照预先设计的固定程序进行对工件的工位转移等。关节型机械手是机械手的一种类型，但它具有与人类手肘类似的“关节”，比一般的机械手结构更精巧、操作更灵活，具有广阔的研究与应用前景。

现有的机械手主要以电气（即电动机和气缸）结合的方式进行驱动，应用齿轮等机械装置进行传动。但因为机械摩擦的缘故，传动效率仍有较大的提升空间。该课题在对一种现有“三自由度关节型机械手”[1]的研究基础上，对回转关节部位进行了更深入的调研，并提出通过电磁驱动减小机械摩擦的新型旋转关节设计。

1 三自由度关节型机械手的基本情况

1. 1 整体设计

该关节型机械手为圆柱坐标，包含3个自由度，其中机械手在进行工作时完成对工件的两个方向的回转和实现一个方向的转移。机械手运用回转关节实现所夹持工件的前后和左右的回转运动，而运用移动关键来实现所夹持工件的上下的移动，从而实现整个机械手的运动工作。

机械手的整体设计如图1，主要包括手部、腕部和臂部。

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，根据设计要求，利用夹钳式手部结构。其中，夹钳式机械手有两个半圆形或者椭圆形的机械手指，手指由驱动电机通过连接传动装置实现其张合以及闭合，从而实现了机械手对所夹持工件的抓紧动作。这种方式的机械手抓具有很好的通用性，能够实现不同外形结构工件的抓紧，所以适用性比较强。

机械手的主要组成部件为手腕部分，手腕在机械手传动中起到传动中介的作用，其连接机械手的手部以及机械手的臂部，实现机械手在臂部的所有动作的转换，有效地实现了手部动作的完成。另外，机械手手腕还可以实现机械手工作范围的扩大化，使得机械手的工作范围有效提高，并对机械手的灵活度有了明显的提高。手腕的回转动作运用回转液压气缸来实现机械手在空间上270 °的回转动作，液压气缸机构简单，操作方便，很适合机械手的运用，但是，机械手的手腕要求工作严格，不能出现振动等现象。

机械手的臂部主要是对机械手整体起到支撑的作用，机械手在进行工作过程中所有的运动惯性以及自身和工件的所有重量都由臂部来承受，所以，机械手的臂部要求结构强度高、抗疲劳性强等特点。同时，机械手的臂部还能够实现机械手部分动作的实现，一般在机械手的臂部运动采用液压或者气压缸实现。文中所设计的机械手臂部主要包括大臂和小臂。

1.2 回转关节

大臂和小臂的回转运动由回转关节完成。回转关节由45BF005π型步进电机驱动，通过两个啮合的直齿圆柱齿轮进行传动，如图2。当电动机运行时，左侧的齿轮轴发生转动，右侧的啮合齿轮也相应转动起来，再通过轴的带动，与之相连的臂部也发生转动。

2 回转关节的分析

这种传动方式本身所需要的传动扭矩比较小，并且传动精度也比较低，所以在选择驱动的方式时应该考虑驱动源的误差积累等问题，研究者采用的驱动源为步进电机。经过查询资料《机电综合设计指导》中的表格2-11，关于步进电机的相关参数可以看出，此文选择的电机型号为：45BF005π型，其中，这种步进电机的主要参数包括如下：步矩角为1.5°，其中电机的额定电压为27 V，总体质量为0.4 kg，该电机具有外形结构比较紧凑，结构简单，控制方便等优点。

通过精度验证，机械手在传动过程中，如果只依靠步进电机的传动精度是远远不够的，还需要运用不同的传动机构以及变速机构等进一步实现传动精度的提高。文章中所提及的机械手的传动采用一级减速齿轮的传动，其中主动轮的传动齿数为20，从动齿轮的传动齿数为70，经过查询资料可以得到，该齿轮传动的传动模数应该选择m=1，齿轮的宽度应该设计为20 mm，在传动过程中，由于齿轮传动会有一定的振动，所以此文设计的齿轮的宽度为24 mm。

3 新型回转关节的研究与设计

3.1 电磁驱动的可行性探讨

通过查阅文献，利用开关磁阻电机原理进行电磁旋转的理论已经比较成熟。

开关磁阻电机的工作机理基于“磁通总是沿磁导最大的路径闭合”的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各项绕组中依次通入电流时，电机转子将进一步沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变专向，但相电流同流方向的改变是不会影响转子的转向的。

一类新型的磁旋转地球仪[2]就是依据该原理设计而成的。

该地球仪沿赤道线每隔一段距离会贴上永磁片，通过FEMM软件仿真，可见永磁片的磁场呈对称周期排列，如图3。具体的磁场分布可以通过对永磁体本身的磁感应强度的检测进行分析确定，从而实现所设计的悬浮球体的旋转动作。

综上所述，利用开关磁阻电机原理，借鉴磁旋转地球仪的设计，可以利用电磁驱动替代回转关节本来的电机驱动和齿轮传动。这样的设计避免了齿轮传动机械摩擦的损耗，也避免了电机精度不高的缺陷。

3.2 新型回转关节的设计

新型回转关节利用贴永磁片的圆柱体和电磁线圈替电机和直尺圆柱齿轮。

圆柱体的设计尺寸参考原有的右侧齿轮大小，R=35 mm，h=24 mm。

沿圆柱体圆周中线每隔一段距离贴上小铁片，每个铁片上贴有一圆形的永磁片。在圆柱体周围安装两组电磁线圈。这两个电磁线圈组成一个弧度，弧度的圆心与圆柱体的柱心尽量保持重合。其中一个线圈正对一个永磁片，另一个电磁线圈正对相邻的另一个永磁片，如图4。正常工作时，通过检测永磁片位置，两个线圈同时通电使电磁线圈同时产生相同的极性。通过对流入线圈的电流进行控制，使得圆柱体实现了旋转。若要使圆柱体停止旋转，切断线圈中的电流即可。

旋转的圆柱体与原有的右侧的轴相连，如图5。当线圈通电时，圆柱体带动轴旋转，与轴相连的臂部也随之发生转动。

4 结语

新型回转关节利用电磁驱动的原理，用带永磁片的圆柱体替代本来的电机和直齿圆柱齿轮。这样的设计避免了齿轮传动机械摩擦的损耗，也避免了电机精度不高的缺陷，具有很高的研究价值。但是囿于研究者现阶段的知识储备与精力，该种设计仍存在许多待进一步讨论的问题。比如电磁驱动能否带来足够的驱动力、回转的精度是否能有效地控制等。

机械手设计论文:4轴机械手的STC单片机控制及PC组态监控设计

摘 要：为组建单片机实践教学系统，设计了一种4轴机械手。该机械手的水平移动由直流电机驱动，其它轴由舵机驱动，由一片STC单片机控制各轴运动，该单片机还能够与PC机进行Modbus网络通信。在PC端，通过运行组态画面实现对机械手的实时监控。通过机械手本体设计、单片机软硬件设计、PC组态画面设计及联网调试，对整个系统进行了验证。该设计方案对组建单片机工控网络实践教学系统具有参考价值。

关键词：机械手；STC单片机；Modbus；单片机控制

一、引言

本题目是我校2015大学生大创新项目“单片机机电控制及工控网络应用”的一个组成部分，其设计内容是：用STC单片机控制一台4轴机械手的运动，且单片机的串口与PC电脑通过Modbus网络协议进行通信，PC端则通过运行组态画面对单片机进行实时监控，详见图1机械手实物图。

在图1中，机械手的水平移动由直流电机经齿轮组减速驱动双螺线螺杆，在直流电机轴的另一端安装有光电码盘，以检测电机的角位移。螺杆的转动带动其上的滑块作X轴水平运动。在滑块上安装有一台三坐标机械手，其底盘旋转（A轴），手臂摆动（B轴），夹爪开合（C轴）分别由三只数字舵机S1501驱动。整个机械手由一片STC12C5A32S2单片机控制。该单片机的串口经MAX485与PC进行通信，以Modbus RTU协议实现主从联网。

二、控制电路设计

4轴机械手的控制电路如图2所示。

在图2中，STC12的P1.3/CCP0引脚用于接收与直流电机同轴安装的码盘的光电脉冲信号，并把PCA0设置为对该引脚上升/下降双边沿触发中断的工作方式，每当PCA0中断发生，就根据电机转向对码盘脉冲数加1或减1操作，由此确定出滑块（即X轴）的当前位置。P1.4/PWM1引脚的作用是向直流电机驱动电路发出PWM脉冲，实现直流电机的PWM调速。该PWM脉冲是通过把STC12的PCA1通道设置为8位PWM输出方式来实现的。此外，在X轴两端的极限位置，各安装有一个光电开关，其信号分别接入P3.2/1NT0和P3.3/1NT1引脚。两引脚的下降沿脉冲输入能够触发STC12的1NT0、1NT1中断。P0.0、P0.1、P0.2引脚用于向机械手底盘舵机、手臂舵机和夹爪舵机发出控制信号。STC12的P3.0、P3.1引脚通过MAX485芯片实现TTL/RS485转换，转换后的信号再接到FT232模块的A、B端，经FT232模块把RS485信号转为PC电脑的USB信号。STC12的P3.7引脚用于MAX485的收/发控制。

三、PC组态监控设计

PC端采用uscada组态软件进行上位机监控设计。在用uscada设计监控画面前，要配置串口设备（即从机）的参数和数据区，并进行模拟量和状态量管理。首先，应把串口通信协议设置为Modbus RTU，设置从站地址，该地址应与STC单片机自设的Modbus站址一致。然后再对串口设备数据区进行设置。uscada为从站设备配备了4种类型的数据区：Discrete Input，即DI，离散量输入；Input Registers，即AI，输入寄存器 ；Coil，即DO，线圈输出；Holding Registers，即AO，保持寄存器。在uscada这4个区设置的变量应与在单片机XRAM中DI、AI、DO、AO型变量区设置的变量相对应，但名称可以不同。主从机通信时，单片机的Modbus RTU函数将按照这种 对应关系处理变量。设置好从站的数据区后，就可以 定义模拟量和状态量，并进行监控画面设计。图4为4轴机械手组态监控画面图。

在图4的画面中，分别对机械手的X、A、B、C轴设置了数字框图元，用以显示各轴坐标值，各轴数字框图元右侧的阀门图元用于设定该轴的坐标值。机械手有手动/自动两种工作方式，由图中的档位开关图元进行转换。手动方式下，机械手按图4中左侧各轴坐标设定值进行动作。自动方式下，机械手以手动方式的设定值为起点，以图4中右侧的设定值为终点，进行自动往复循环动作。画面中，滑块起点和终点是DI型变量，手动/自动档位开关是DO型变量，X轴当前位置为AI型变量，其它为AO型变量。当主机与从机通信后，画面即显示出各变量的当前值。

uscada具有串口通道通信数据实时监视功能，图5为主从机通信数据实时监视窗口图。本系统的Modbus RTU从站函数能够处理Modbus 01，02，03，04，05，06，15，16功能码。

四、结语

本文所设计的4轴机械手，首先，具有一个由直流电机驱动的水平移动轴，与全部采用舵机驱动的机械手相比，增加了运动方式和控制方式的多样性，并用到了STC增强型单片机的多种片内资源，是更好的单片机教学与实践模型。其次，本机械手能够通过Modbus工控网络与PC机联网，在PC端通过设计组态画面实现对机械手的实时监控，这就把单片机的学习与实践提升到了网络应用的层面。再次，由于利用了STC单片机丰富的片内资源，并通过上位机监控实现人机交互，这就使得系统的控制电路简单，且uscada为永久免费的组态软件，所以使用本设计方案，能够经济的组建具有工控网络应用的单片机实践教学系统。

机械手设计论文:博世机械手采用最新D3模块化 设计实现整线自动化

作为针对一次和二次包装技术解决方案的领先机械手技术供应商，博世包装技术最新设计的Delta机械手包装设备，为食品厂家提供更多解决方案及提升性能。

最新的GD（齿轮驱动）系列Delta机械手采用开放式的框架和平台，在提供了标准化和模块化方案的同时，又可根据不同的应用配置各种可选项。博世包装技术提升了D3机械手的平台，将负载增加至3公斤，从而确保更快的速度来提升拾取率。其快速的产品切换、操作和维护简易的设计有助于生产商降低总拥有成本（TCO）以及减少投资回报期限（ROI）。

据博世包装技术（瑞士）的销售总监Marc de Vries介绍：“随D3平台机械手的推出，我们为一次和二次包装提供了更多样化的解决方案。这种新的模块化和可升级的设计提供了结合标准设备模块的多种机械手方案。通过增加模块化的设计，博世证明了其以客户为核心的承诺，从而提高生产效率，降低总拥有成本（TCO），同时更快速地推向市场。另外，通过提高灵活性，新的平台可帮助我们的客户利用机械手自动化来形成竞争优势。”

广泛的应用范围，增加多样化

D3机械手平台包含了多种特点用来提高生产效率以及帮助生产商满足日益增长的产品多元化需求，例如：饼干、糖排、巧克力、糖果、烘焙食品以及立式机包装的产品等。Marc de Vries说：“很多客户在寻找能够在同一台设备上包装多种产品的机械手设备。通过提升性能、增加有效负载和工作高度以及可选的用于产品转向的第4轴或第5轴，我们显著地扩大了产品应用范围。”

凭借行业领先的Gemini 4.0 Delta机械手控制器和软件设计，新的产品可以通过线下模拟运行而不需要实物，从而减少了安装和调试时间。更简洁的平台设计增加了产品切换速度和可操作性。

方便清洁，更有助于食品安全

D3平台机械手的另外一个优势就是，它的卫生性和开放式的框架设计，采用了更少的零部件和可视性更强的移动部件，这有助于制造商遵守日益严格的食品安全法规。电气控制柜被放置在设备的顶部，使得操作人员在设备的正反面都可进行操作，以减少清洁和维护时间。

模块化设计，提高生产的灵活性

作为博世模块化设计和一站式供应理念的一部分，D3机械手可以轻松地与博世或者其他第三方的一次或二次包装设备进行整合。D3机械手的设计是为了增强中小型企业和跨国公司的生产灵活性。这个新的产品组合提供了更为灵活和可升级的机械手解决方案，从而使得客户能够更迅速地适应当前生产的需求，同时达成未来的生产目标。

值得一提的是，博世包装新推出的Paloma D3进料和顶装式机械手将会被整合在Module++饼干包装整线中。

机械手设计论文:基于PLC的气动抓取式工业机械手设计研究

摘 要：机械手在设计过程中，注重其自动化控制，能够实现一些较为复杂的工业操作。文章对气动抓取式工业机械手设计的研究，主要是基于PLC自动化控制下的抓取式机械手的设计分析，注重提升机械手的灵活性和智能性，以期更好地实现工业发展自动化。

关键词：PLC控制；工业机械手；设计研究

前言

工业生产领域中，很多工业操作靠人工是无法完成的，并且，一些操作具有较大的危害性，因此，要想实现工业生产目标，保证工人施工安全，工业机械手得到了较为广泛的应用。工业机械手可以进行一些高温、有毒环境下的工业生产，极大程度上保证了工人安全，同时也在很大程度上减缓了工人的劳动强度。基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，将注重相关程序的具体应用，注重把握机械手设计的灵活性和自动性特征，通过一系列编程控制，更好地实现机械手的实际效用。PLC气动抓取式机械手，具有较高的可靠性，并且编程简单、功能强大，延伸和扩大了人的手足和大脑功能，更加广泛地应用于工业生产中。

1 气动抓取式工业机械手的构成分析

基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，需要具有较高的灵活性和自动化发展特征，能够根据相应的程序设计，满足实际生产需要。因此，在进行设计过程中，气动抓取式工业机械手应包含以下几部分：执行机构：执行机构是气动抓取式工业机械手的重要组成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是机械手完成生产目的的关键部分；气动驱动系统：气动驱动系统是指挥机械手完成工业生产的重要部分，利用气体压力进行驱动，使机械手完成任务；控制系统：控制系统相当于机械手的大脑，对机械手执行任务进行指令下达。一般来说，气动抓取式工业机械手的控制系统，主要以PLC自动化工业控制系统为主；相关检测装置：检测装置是进行位置调节的装置，通过检测装置可以更好地确定抓取目标，为实现抓取目的提供依据。机械手的构成，以PLC控制系统进行指令下达，之后由气动驱动系统进行机械能传输，使执行机构能够进行实际行动，并且根据位置检测装置，进行目标操作[1]。

2 基于PLC的气动抓取式工业机械手设计研究

2.1 设计要点

基于PLC的气动抓取式工业机械手在设计过程中，要注重机械手的抓取性能，在实际工作中，能够实现快、准、狠的工作效果。机械手设计过程中，手臂的运行方式有所不同，在进行手臂设计时，需要考虑到生产的实际情况，使机械手设计能够与生产实际状况符合。关于PLC气动抓取式工业机械手设计，要把握以下几点：第一，机械手臂设计时，坐标可分为直角坐标式、球坐标式、关节式等方式。第二，手臂的升降、收缩和回转运动要保证灵活性，能够较好地适应生产和抓取情况。第三，手臂的上下升降、左右旋转、上下摆动动作要具有较好的灵活性。第四，手臂要保证五个自由度，符合抓取需要。

2.2 设计方案

文章对基于PLC的气动抓取式工业机械手的设计研究，将从手指、手腕、手臂、三个方面进行。

手指设计分析：机械手在设计过程中，要具有较好的通用性能，能够进行有效的更换，以实现设计的效率性和多用性。手指在设计过程中，主要以气动抓取方式为主。气动机械手是用压缩空气为动力源的机械手。其特点是方便、输出力小、气动迅速。但是由于空气的可压缩性使其运送过程不稳定，抓取力控制在三十公斤以下。手指设计时，要有足够的握力并且手指间具有对应的开闭角，能够对工件进行准确定位。

手腕设计分析：手腕设计时，同样要以生产实际需要为主，手腕要具有较好的灵活性，更好地满足生产需要。设计时，若是抓取的物件是水平放置，则可以设置成为上下摆动的形式即可，若是抓取物件存在一定的复杂性，就需要将手腕设计成“球坐标式”，能够进行有效地活动，从而完成抓取工作[2]。

手臂设计分析：机械手臂在设计过程中，要保证其具有较大的灵活性。手臂是进行抓取工作的重要设计点，其速度关系到了机械手手指的抓取速度，文章对机械手臂的设计参数为最大移动速度为1.0m/s，回转速度为90°/s，移动速度为0.8m/s。手臂设计要具有速度性，它是实现抓取效率的关键部位。

2.3 控制设计

控制设计是基于PLC的气动抓取式机械手设计的难点，具有较大的复杂性，同时，控制设计也关系到了机械手能否发挥真正的作用。在控制设计过程中，需要考虑到机械手的通用性，并且采用点位控制方式，实现精确控制。控制设计时，要注重PLC工业自动化控制系统的应用。关于利用PLC自动化控制系统进行机械手控制的问题，如图1所示[3]。

PLC在实现这一目标时，需要通过程序编制，并且对程序进行执行处理，才能实现。PLC应用于气动抓取式机械手设计时，主要涉及到了以下设备装置：中央处理器、系统存储器、用户存储器、电源、编程器五大部分。这五个部分当中，中央处理器是PLC系统的核心，对气动抓取式机械手进行控制，电源、线路是实现PLC系统进行相关程序操作的关键。同时，编程器、系统存储器、用户存储器之间，需要通过I/O信号输入，才能实现效果。

PLC控制作用发挥时，需要事先有PLC系统进行命令，并且通过总机的数据处理系统，将指令进行传达，实现信号输送。关于PLC的气动抓取式机械手的工作情况，主要如下：机械手位于初始位置，受到控制系统控制，执行系统将推动机械手进行运动。同时，机械手各个主要部位受到执行系统控制，执行系统通过完成主系统下达的任务，进行机械手控制，完成机械手操作任务。基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，将更加广泛的应用于自动化生产线。国外很多国家已将其成功的应用于成套的自动化生产设备中。机械手未来的发展，将朝着自动化、智能化、网络化的发展方向迈进，将更好的代替人从事高危险、高危害的工作环境，实现生产管理的智能化和自动化。

3 结束语

综上所述，文章主要分析了基于PLC的气动抓取式机械手的设计原理、设计方案、控制设计三个部分内容，并就气动抓取式机械手的特点进行了分析，实现了气动抓取式机械手的设计。气动抓取式机械手在工业生产过程中起到了重要的辅助作用，在实际设计过程中，必须注重这一点，使机械手设计能够更好地促进工业生产的发展和进步，满足我国现代工业更加自动化、智能化的发展需要。

机械手设计论文:基于PLC的气动机械手控制系统现状和程序设计算法分析

【摘要】机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法。随着传感器技术、气动技术、计算机技术等发展，基于计算机技术为基础的控制技术发展较快，其中气动技术以经济、廉价、灵敏等优点，而成为研究热点之一。本文介绍的是气动机械手模型基于专用计算机―PLC的控制系统设计。

【关键词】机械手；现状；程序设计；算法分析

一、PLC的气动机械手控制系统现状

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行生产。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、促进安全生产、提高产品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。机械手的驱动方式有气压传动、液压传动、电气传动和机械传动。广泛使用的气压技术以压缩空气为介质，具有动作迅速、平稳、可靠、结构简单、较轻、体积小、节能、工作寿命长的特点，特别是对易于控制、易维护、无环境污染场合，因此气动技术常作为机械手的驱动系统的首选。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有无污染、抗干扰性强、价格低廉、结构简单、功率体积比高等特点。在机械行业越来越多的自动化设备中采用了机械手，主要是液压控制和气压控制两种方式。其中气动机械手以其取之不尽、用之不完的气源，及较低的生产成本受用户喜爱，各国对气动机械手的研究越来越重视，现已发展成为满足生产需要的一种重要的实用技术。

在工业自动化中液压与气压均有较在应用，而气动技术被称为工业自动化的“肌肉”，其应用灵活，夹持工件的重量越来越重，在各种机械加工行业和制造行业中，尤其在有毒的环境下作业等其应用程序越来越受重视，并得到相应广泛使用。随着科技不断日新月异发展，自动化控制技术也不断更新，在微电子技术、计算机技术等技术的迅猛发展形势下，气动技术不断技术创新，以工程实际应用为目标，不断取得巨大的进步。另外气动技术作为一种相对来说比较廉价的自动化技术，由于其元器件的制造技术以及使用性能的不断提高，并且生产成本和流通成本不断的降低，气动技术现已被广泛的应用在现代工业、医疗业、生产以及输送领域。例如南昌市第一附属医院中引入了气动控制药品传输线，从药房配药师输出到住院部等各部门，每次提高了近5分钟，大大减少人力劳动及工作人员数量。

我国在机械手的应用方面，不是世界最发达国家，但已经较为广泛使用并取得了较成熟的技术。基于Programmable logic Controller为核心技术进行控制的液压机械手或气动机械手在工业自动化领域应用较多，非常适合PLC最基本功能，即逻辑控制。如用来上料下料、装卸机械零件、搬动物品等重复性的工作过程。我们国家原来的继电接触器控制系统大多已改造为基于 PLC 为控制器的自动化装置，通过最近20多年的应用实践表明，在机械制造及自动化领域具有强大生命力。研究的基于气动技术的可编程控制器控制的机械手是现代机电一体化自动生产线中重要辅助装置，可实现上下、左右、伸缩六个方向的三维空间运动，较适合经常变更批量生产与柔性制造生产的现代加工方法。它能按预定程序和控制要求完成物品、材料、机械零件等进行运送、上下料、搬运等作业，并可以在需要时修改程序实现动作变更。

二、PLC 程序设计算法分析

算法是决解决问题的清析思路的描述，对于一种可行的解决方案均有算法。当然对于不能解决的方案可能就没有算法可言。在本课题中编程环节要求按照机械手的工作要求实现控制要求，我们通过假定其初始位置为原点，其条件为右边、后退、松开状态为原始条件，基于此条件下实现自动操作与手动操作。

（一）分治法

设计中利用了重要的分治法实现各功能模块。依照气动机械手的工作顺序要求，划分为各小功能模块，如向左伸出与向右缩回、向下伸出与向上缩回、水平伸出与缩回等均可分为小的模块，设计中称为状态。从初始状态开始依次按要求将可画出相关系统流程图。各相关的状态中动作利用步进指令转换为梯形图程序，实现完整的控制功能。

（二）贪婪法

贪婪法的总体思路中把符合控制条件的所有情况均最大限度的列入考虑范畴，从中选取一个解决问题的办法。课题设计中考虑符合设计要求的思路会有多种，如采用最基本的思维，即把每一步均作最基本的“起-保-停”处理，并线圈内加入限制条件，在最开始作最基本的起动控制程序以实现控制功能。另一种方法可以采用 SET、RST 指令来实现控制功能。还有方法就是后续设计中用的用流程图把所有出现的动作当成状态，设计其流程图并转化为梯形图程序。

（三）递推法

对于设计的程序图中各状态的实现方法，采用逻辑递推法，依次基本逻辑关系递推。如课题设计中关于机械手控制工作顺序中的各状态中执行动作及各状态间转换关系，不断利用这种递推办法，把气动机械手的工作过程按顺序设计其控制逻辑图。在程序设计过程中存在各种逻辑限制关系，要依照控制要求反复推敲后加入程序以实现各种功能及相关条件限制。

机械手设计论文:机械手自动控制系统设计研究

摘要：随着科技的不断进步，工业自动化产品的性能日益加强。在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此，迫切需要一种东西代替人在恶劣的环境中作业的要求呼之欲出，机械手由此而诞生。本文就机械手自动控制系统的设计进行了分析研究，以供参考。

关键词：机械手 PLC 自动控制 系统设计

1、引言

随着可编程序控制器（PLC）在工业生产过程自动控制中的广泛应用，解决了在各种恶劣环境下工作的难题。机械手在工业自动化生产得到了很好的利用，它不仅灵活多样，而且耐高温、抗腐蚀，可以较强适应各种恶劣的工作环境完成人无法完成的操作，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，是工业机械系统中传统的任务执行机构，它的出现不仅提高了产品的质量与产量，而且加快的实现了工业生产机械化和自动化的步伐。

2、机械手与PLC的概念

2.1机械手

机械手主要由手部和运动机构组成，可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。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，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

2.2 PLC

PLC为可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的特殊功能模块用来完成特殊的任务。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。PLC具有可靠性高、适应面广、控制性强、操作方便、抗干扰能力强、编程方便、对环境要求低、与其他装置配置连接方便等特点。在工业自动化控制系统中占有极其重要的地位。

3、机械手自动控制系统设计

3.1 I/O地址分配

I/O地址分配见表3.1。

表3.1机械手控制PLC输入/输出（I/O）分配表

3.2 PLC控制系统设计分析

由机械手的工作过程可知，这是一个典型的顺序控制系统。为此，可从机械手的连续工作方式入手编写程序。首先应绘出连续工作时的功能表如图3.2，然后直接列写逻辑表达式，用触点线圈指令编程，也可使用置位复位指令或顺序控制继电器指令来完成。为了将每一步的工作状态显示出来，动画模拟软件使用了内部存储器位 M5.1 、 M5.2 、 M5.3 、 M5.4 、 M5.5 、M5.6 、 M5.7 、 M4.0 、 M4.1 来分别表示①～⑧的运行状态。编程过程中，需要注意特别处理的问题是①、⑤和③、⑦步的动作问题，虽然①、⑤步都是下降操作，但却具有不同的意义，①步下降是空钩下降，而⑤步下降则是夹着工件下降。③、⑦步的上升操作也是这样。

图3.2机械手动作功能表 图3.3机械手控制系统程序结构图

单周期操作的程序实现可在连续工作程序的基础上通过经验修改实现。其要点是是设法阻止机械手在一个周期工作结束后自动进入下一周期，一般在下降的启动回路想办法。

单步操作的实现与单周期工作的实现是相似的。即设法在每一步工作结束后，不是直接启动下一步的工作，而是等待启动按钮的命令后再工作。

以上是在同一个顺序控制程序中完成的连续工作、单周期工作和单步工作的程序编制思路。实际上本文采用分段跳转的办法来完成这三种操作，这使得程序结构如图3.3所示。这种方法编制的程序结构清晰，但程序数量长于前一种方法。

4、系统调试

4.1控制系统的程序调试步骤

（1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明顺序和条件。

（2）设计梯形图，这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的经验。

（3）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。

（4）对程序进行调试和修改，直到满意为止。

4.2调试过程中注意的事项

（1）数据线与计算机的接口必须要与软件的端口保持一致，否则运行会产生通信错误问题。

（2）连接PLC上的输出端口对应的动作必须与程序中的输入输出点的定义动作保持一致。

（3）PLC上的输入输出点都必须接入电源，连接的外部模块也必须接通电源与接地线

（4）由于条件有限，外部接线模块中部分用开关代替按钮，在执行点动程序注意执行完应该将开关拨回到停止状态。对于限位开关也用普通开关代替，当执行完该步程序后，进入下一个步，需要将限位开关拨回OFF状态。

结束语

机械手控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量中间继电器、时间继电器和硬件的接线，提高系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制可以方便更改生产流程，增强控制功能。另外，在实际的生产中，可以设置远程控制，可以利用监控软件对控制系统进行实时控制，以提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态。也为维修、故障诊断提供多方面的可能性。

机械手设计论文:仿人机械手的结构设计与现实意义

【摘 要】本文阐述了仿人机械手研发的国内外发展现状与存在的问题，并针对这些问题对仿人机械手进行了三维建模以及运动学仿真，同时阐明了仿人机械手研究对社会生活的现实意义。

【关键词】仿人机械手；三维建模；运动学仿真

0 引言

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和综合能力的重要标志，而服务机器人是未来社会发展的必然产物，对于服务机器人的研究，尤其是仿人机器人的研究是具有巨大经济价值和历史意义的，其原因有两个：第一，世界老龄化进程的加快，尤其是中国也正进入老龄化社会，照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题，而仿人机器人在解决这一社会问题中有着不容置疑的作用；第二，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们需要越来越多的关心和照顾，如果采用专门的人力将严重增加社会的负担。所以对于服务型机器人的研究，显得格外重要。

目前有很多服务型机器人，但是没有一个机器人可以像人一样有一双灵巧的手，完成只有人类才能实现的复杂动作，本课题就是针对这一问题从仿人机器人的机械手开始研究的。

1 国内外发展现状与问题

从1960年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始，为以后的各类机械手打下了基础，到现在为止美国的宇航局（NASA）、哈佛大学和耶鲁大学，日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。

我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作，国防科技大学[1]、哈尔滨工业大学[2]也研制出了多指灵巧手。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿人型机器人灵巧手”，2006年5月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会，以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏，并率先进入了国际市场。

由此可见，目前多数国家和企业高校都在对仿人机械手进行研究与设计，不过现在还存在一系列问题，例如：价格昂贵，实时性不理想，设备笨重，并且大都停留在实验阶段，这些都制约其在实际当中的应用。

2 五指仿人机械手设计

本文设计的五指仿人机械手具有的优势有：采用欠驱动控制方式[3]，所以机械系统大大简化，机械手大小基本与普通人手大小一致，便于安装到各种服务机器人的移动平台上；同时每个手指都靠手指末端拉力进行运动，也就是说只需要一个拉力便可以实现机械手指的人类手指运动方式，结构紧凑、便于控制、动作灵活；材料可以采用塑料纤维进行加工实现，因此质量轻、价格便宜，易于普及；可以采用嵌入式的控制方式进行控制，处理速度快，响应时间短。

本文通过Solidworks对五指仿人机械手进行建模，其单指与整手建模图形如下所示：

图1 单指结构与整手三维建模

本文通过ADAMS实现仿人机械手的运动学仿真，其仿真图形如下所示：

图2 约束添加以及手指运动效果图

3 现实意义

对于仿人机械手的研发对社会有着重要意义：其一，对于服务机器人的研制，尤其仿人机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极的促进作用；其二，仿人机械手的研发隶属于制造业，其研制成功与推广，可以增加就业，创造经济价值；其三，其技术的实现可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展；其四，实现服务机器人上机械手的灵活运动与控制，对于老年人以及残障人士在心理上和身体上都非常有益处，为解决我国社会问题，创建和谐社会做出贡献。

机械手设计论文:炼胶生产线气动机械手的优化设计

【摘 要】本文介绍了气动机械手的基本功能，在此基础上，主要对气动机械手的结构进行设计与改善。在 PLC 和气动控制技术相结合的基础上，使其功能更加完善，运行更加精准、合理。它由 PLC 控制四个气缸来实现机械手横向和纵向的运动以及气动夹持机构的伸缩动作，利用气动能源分别完成对生产中使用到的工件进行抓取、放置等动作，实现了节能环保的特点。

【关键词】气动机械手；气缸；优化设计；PLC

0 引言

炼胶生产线一般包括上辅机（包括胶料、粉料和油料的称量及投送系统）、胶料混炼设备（密炼机）和下辅机（胶片挤出、冷却和称量系统）三大部分。由于密炼机和下辅机之间的胶料需循环返回多次精炼的要求，而气动机械手是传递机构中的重要部分，通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位，且是以空气为介质，具有使用、维修方便、安全、可靠、成本低、寿命长等特点，采用气动方式控制机械手机构被很多场合所采用[1]。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。

1 气动机械手的工作原理

图1 气动机械手的运动示意图

图2 气动机械手工作流程图

如图1所示，此气动机械手具有两个弧线升降运动，一个旋转运动和一个直线运动的自由度，将炼胶机的出料搬运至左侧或右侧的炼胶机上。机械手的动作除了左右旋转应用电机控制之外，其余全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升和下降、左转和右转、夹紧和放松的功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种气动机械手。

在主臂立柱底座上安装电机以便控制其回转自由度。小臂a与主笔立柱之间用气缸A控制连接，以便控制小臂a的弧线升降。在小臂a与小臂b之间采用气缸B连接，以便控制小臂b的弧线升降，在小臂b和夹持机构之间采用气缸C连接以便当小臂运动时夹持机构在气缸C的作用下能保持平稳的运行和垂直度，气缸C的充放气特性以及运动轨迹根据气缸B和A的充放气特性来决定。夹持机构的开合和夹紧由气缸D控制。将气动机械手的零点（原始状态）定为开始工作位的回转限位、升降限位、伸缩限位及放松状态。气动机械手为实现移料动作，需要完成如图2所示的工作流程图。

2 气动机械手气动回路的构成及原理

气动回路主要是由气源、各种控制阀以及执行气缸等组成，下面介绍回路的关键部件-执行气缸。

执行气缸包括连接主臂立柱和小臂a的气缸A，连接小臂a和小臂b的气缸B，连接小臂b和夹持机构的气缸C，以及控制夹持机构的气缸D。由于不同的气缸控制不同机械结构，其输出力也不同，所以四种气缸的型号也不同。同时要求气动机械手能够在升降过程中任意位置实现精确定位，精度要求为 1mm以内。由负载性质及气缸运动速度选定负载率β值，即可求出所需的气缸理论输出力P=F/β。

气缸D所控制的夹持机构和物料最大重量约为50kg，气缸C所控制的最大重量约为55kg，气缸B所控制的小臂b的最大重量约为70kg，气缸A所控制的小臂a的最大重量约为80kg。

一般来说，气缸可以保证起点和终点的定位精度，因此，对于夹持机构Z轴方向的定位，应用一般的气缸就可以保证其定位精度和使用要求。而对于小臂a和小臂b的升降精度要求，则可以使用 SMC公司一种新型CEI型气缸，在结构上增加了位移传感器件，使之与气缸浑为一体，整体结构紧凑合理，设计新颖，提高了气缸位移监测的性能，CEI型气缸在杠杆的两侧刻有细纹磁栅，当气缸左右移动时，位移传感部分将以双向脉冲方波形式输出能够实现中间任意位置的定位[4]，而且其定位精度可达到1mm以内，因此，应用上述气缸可以满足小臂a和小臂b的升降定位精度的要求和使用要求。根据以上原则和条件，详细选型见下表1。

总体气动系统原理图如图3所示。气源首先经过滤减压阀处理，通过相应的电磁换向阀后进入各个气动执行元件。

图3 气动系统原理图

1、2、3、4―2位5通双电控电磁阀；5―气源处理组件；6―气罐

3 气动机械手控制系统配置

根据机械手运动仿真方案，机械手的循环动作依次为：上升正转下降伸出夹紧上升反转放松缩回反转下降下一循环。为了根据实际工作环境确定机械手工作时磁性限位开关的位置并调试机械手，对机械手的每一动作设定一个手动控制按钮。同时，为了保证气动机械爪工作时，整个机械手只能执行其一个动作，需要在程序上设计互锁功能。气动控制系统一般由控制器，电―气控制元件、气动执行元件、稳压气源、传感器和接口电路组成[2]。控制器一般指计算机、单片机或可编程控制器等控制器件，气动执行元件常用的有气缸、气爪、控制阀等，传感器一般指位置传感器、速度传感器和加速度传感器，接口电路指控制器与控制元件、控制器与传感器之间的接口[3]。

气动机械手有两种控制方式：操作面板控制和个人计算机控制，两种控制方式均以 PLC 为主要控制模块，其中个人计算机控制要求 PLC 与上位机实现有效通讯，通过上位机程序的改变来实现 PLC 程序的更新与运动参数的变化。为了实现气动机械手操作面板控制和个人计算机控制两种操作方式，拟采用PLC 为下位机，PC 机为上位机的控制模式，PLC 与 PC 机之间通过 RS232 协议实现通信，完成控制过程中的数据交换[5]。可编程控制器的程序运行方式是循环扫描方式，而非顺序方式，因此任何一个气缸在条件满足后即开始动作，在机械手运行中遇到突然停电时，可以关闭气源，对工件进行处理， 来电后重新初始化各项个元件与程序。

我们所要控制的系统中，有8个行程开关信号、一个按钮开关信号、一个由定位系统动作结束发出的信号共10个输入点，因此我们选用了西门子S7-200系列CPU224型号PLC，它有14路数字量输入点和10路数字量输出点，具有体积小、处理数据和通讯能力强、存储器容量大等优点。基本位布尔运算执行时间为0.22μs，用户存储器容量SK字节[6]。而且它还具备6路30kHz单相高速计数器和2路20kHz高速脉冲输出可以分别用来接收旋转编码器信号和直接控制步进电机运行。有模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、位置控制模块、数据输入/输出模块、通信模块等，可以实现模拟量控制、位置控制和联网功能，在功能上完全满足了控制系统的要求，并留有一定数量的FO通道作为照明电路和其它储备用途。

4 结论

本文主要研究了气动机械手的执行机构和驱动系统的原理并进行了设计，采用气动驱动作为机械手的驱动方式，通过分析设计执行气缸及其控制阀等模块，以满足相应的动作要求，根据气动机械手的功能要求绘制了机械手的控制系统流程图，使机械手能实现多点连续的控制，同时分析气缸C和气缸B的充放气特性，以便优化两者的先后动作，再结合S7-200可编程控制器，使气动技术在顺序动作的逻辑控制系统的优点得到充分发挥。