机械手设计

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机械手设计范文第1篇

关键词 数控机床；机械手；模块化

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）107-0104-02

1 数控机床机械手构造

数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的，实际工业应用过程中，需要这四部分共同配合来完成一项任务。这里给出数控机床机械手的工作图

1）控制系统

控制系统是机械手的大脑，它决定着机械手的具体运动方式。机械手一个动作的完成首先是由用户向控制系统发出指令，控制系统将该指令转化为具体的控制信号，通过程序控制电路、电极控制模块、机械控制等几部分来控制机械手实际运动。其次，机械控制模块还会将机械手实际的运动情况收集起来，转换为相应信号反馈给控制系统，以判断机械手是否按照用户要求运动，是否能够准确的完成用户所指定的任务。当反馈信号显示机械手出现运动偏差时，控制系统将发出警报信号提示用户。

2）驱动系统

驱动系统顾名思义是数控机床机械手中驱动执行机构运动的装置，该装置的主要组成部分为控制调节器、动力系统、辅助装置等。我们在工业生产中所提及的机械传动、液压传动等，均是使用较为广泛的驱动系统。

3）执行机构

数控机床机械手外型上与人手臂相类似，也是有手腕、手臂、抓手三部分组成，特殊情况下还可以加装移动行走机构，提高机械手运行范围。抓手的主要作用就是抓取物料，常见的抓取方式为吸附式和手抓式。吸附式抓手是通过所安装的吸盘来执行任务的，电磁式吸盘依靠电磁铁所产生的磁力来吸附导磁性物质，手抓式吸盘就像是人的手一样抓取物件，所以在实际应用中，主要用来抓取重量较轻，尺寸较小的零件。手腕部分的主要作用是用来调节工件的抓举方位以及角度，它是连接抓手与手臂的关键部分。手臂部分是机械手的主要城中部分，它主要是控制抓手从最佳的角度抓取物件，同时根据软件控制系统发出的信号，按照要求将物件放至准确位置。

4）位置检测系统

数控机床机械手位置信号有手臂位置、抓手状态、行走位置等几种，信号检测系统的主要作用就是用来检测这几种信号，然后将信号反馈至主控制系统用来判断当前各个位置信号是否正确，机械手各部件是否处于正确位置，同时主控制系统向位置检测系统发送控制信号，给出机械手下一步操作任务。

2 数控机床机械手分类

1）按照用途分类

数控机床机械手可以应用于很多种工业生产过程中，但是生产内容不同所使用的机械手类型也不同。当前数控机床机械手有专用和通用两种，所谓专用就是只能够用于特定的生产过程中，主控系统程序是固定的不能随意更改的，这种机械手通常情况下用于单一工业生产过程；所谓通用就是指机械手可以用于不同工业生产过程，其主控系统程序可以根据控制需要进行更改调整，在不同场合提供不同的运动方式。

2）按照驱动方式分类

驱动方式决定着机械手的运动方式，它也是区分机械手类型的重要因素。气压机械手是依靠压缩空气来驱动的，这种机械手以空气为介质，制造成本较低，而且能够广泛适用于很多高危生产环境中。此外气压机械手的结构相较于其他机械手简易很多，不需要配备专业维修人员，所以这种机械手是很多工业生产控制过程的首选；液压机械手主要用于质量很大的物件抓取，它依靠密封的液压装置来提供强大动力，但相应的制造成本也比较高，而且对于维护要求也比较高。

3）按照控制方式分类

现阶段数控机床机械手的控制方式就两种：点位控制和轨迹控制。点位控制思想就是路径线段化，将机械手需要运动路径划分为规定距离的细小线段，划分的线段端点越多，机械手的运动精度就越高，但同时这种控制方式对系统的要求也比较高。这种机械手在当前很多工业控制过程中被广泛使用；轨迹控制相较于点位控制而言技术要求就更高一些，它可以满足机械手在任意空间范围内的运动，而且运行过程更加的稳定准确。这种机械手的控制系统更为复杂，通常情况下需要计算机参与辅助控制。

3 机械手模块化设计理念

模块化设计理念是伴随着工业制造方式的不断转变而兴起的，它是将一个整体分割成若干个独立的功能结构，不同部分可以同时设计，然后再组合成一个整体。这种理念简化了设计过程，优化了系统结构，机构中每一个功能及部件都具有较高的独立性，极大地提高了机构的适用范围。模块化产品设计中最根本最核心的内容就是保证功能结构以及物理结构的相似性，同时相互独立的功能部件可以可靠协调工作。对机构进行模块设计时可以沿着功能体系和构造体系两条主线进行，因为系统能够体现出来的任何一项功能，都是建立在其他功能基础之上的，也就是说系统功能具有上下层关系。此外，系统中还存在着并列功能形式，即一个功能对应着系统可以实现的多个功能。在进行数控机床机械手模块化设计时，我们可以根据实际作业的要求来划分机械手的单元模块。机械手底座是所有功能实现的基础，所以要将它设定为整体模块化设计的基础，然后再根据不同结构所承担的不同功能来设计。经过实践证明，模块化设计能够大幅度降低机械手的设计成本，缩减整体设计时间，以最快的速度满足工业生产控制的需要。

1）模块化机械手结构及设计流程

从数控机床机械手各个机构功能的角度出发，可以将其分为手部模块、腕部模块以及臂部模块。

2）机械手模块组成及功能分析

（1）手部模块组成及功能分析

机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指，它主要用来抓取待加工工件。气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构，这种手指能够自动对中，双向高精度抓取。常见的有2指气爪、3指气爪以及多指气爪。在实际工业生产应用中，以抓取棒料为主，例如￠80×6Omm圆柱型工件

联接件的作用是控制手指抓取直径，气爪运动的最大直径为D2，最小直径为D1。外夹持气爪的夹持力方向是从工件表面指向工件圆心。

（2）腕部模块组成及功能分析

机械手腕部模块是由摆动气缸和联接件组成的，它可以保证机械手在90°范围内自由旋转。图中所示联接件1是连接高精度头型调节机构与摆动气缸的，联接件2是连接摆动气缸与气爪的。

通常情况下，联接件都设计有槽与轴相对应的孔，并通过键联接方式将气缸与孔连通。采用螺钉固定的方式防止键的轴向移动。

（3）手臂模块组成及功能分析

图1所示为横臂模块的结构图，横臂是由ML2B气缸、联接件、导轨三部分组成的。这三部分均安装在门架横梁上，而且可以在水平方向自由移动。机械手的横臂与直臂也是通过连接件连接在一起的，而且通过高精度柔性调节机构来保证机械手气爪与机床卡盘的对中精度（图2）。

参考文献

[1]刘进长.抓住机遇促成飞跃-我国机器人产业发展的若干思考[J].机器人技术与应用，2007（3）：7-9.

机械手设计范文第2篇

关键词：多用途抓取类机械手; 设计; 分析;

在人们的社会活动和生产生活当中, 多用途抓取类机械手发挥了较大的作用, 能够帮助人们在危险的环境中进行各种操作, 目前抓取类机械手在工业生产中也有较大的发挥。为了进一步提高抓取类机械手的工作效果, 需要在对不同种类机械手的整体特点和结构进行分析的基础上, 在机械手端部采取电磁铁进行吸附连接, 以此来实现多种机械手之间的灵活转换, 形成多用途抓取类机械手, 并且在机械手部分加上压力传感器和远程控制系统, 以此来对物品的硬度进行判断, 从而选择更加合适的传动方式和驱动方式。

1 多用途抓取类机械手的仿真

1.1 建模仿真

目前常见的多用途抓取类机械手主要包括吸盘式、两爪式和三爪式等类型, 分别在不同场合中进行工作, 在对这些多用途抓取类机械手进行仿真建模的过程中, 其主要包括液压系统、机械系统、控制系统和动力系统。机械系统是多功能机械手完成各项动作的执行结构, 通常包括机械手抓、前臂、支架和底座等工作装置, 在对机械系统进行建模的过程中, 需要对不同的结构配件执行最基本的建模命令, 形成相应的机械结构部件。然后根据机械部件类型的不同, 将机械系统中的机械部件进行相互连接, 主要包括机械手底座与后臂之间的连接, 前臂孔和后臂孔之间的连接, 在机械系统连接完成之后, 对液压装置进行装配, 形成完整的机械手模型[1]。

1.2 对重要元件进行选择

为了保证多用途抓取类机械手能够在不同的环境场合中进行工作, 同时在最大程度上提高机械手的抓取效果, 需要对其中的重要元件进行选择。这些重要元件主要包括这样几个部分:首先是压力传感器, 压力传感器主要安装在机械手指之间, 在机械手进行抓取动作的过程中, 压力传感器能够在对物体的硬度进行判断的基础上, 对所施加的压力进行控制, 保证机械手能够顺利地夹取不同硬度的物体, 在压力传感器的选择上, 可以选择薄片式电阻式应变片来进行使用。另外一种重要元件为PIC控制系统, 根据实际情况来对PLC控制系统设定参考压力值, 在输入压力和参考压力值进行比较之后, 对电动机的输出功率进行调节, 以此来对机械手爪的输出动力进行控制, 方便机械手爪抓取各种不同硬度的物体, 对于PLC控制器的选择, 可以使用三菱FX1S-14M T-E S S/UL。对电磁铁的选择, 电磁铁在通电的情况下能够产生强大的吸附力, 通常应用到吸附式机械手当中, 能够对物体产生吸附力, 使物体进行移动或者拾取, 实现各种抓取部件的灵活转换, 对于电磁铁的选择需要根据机械手的类型和使用场合进行确定[2]。最后是对电机的选择, 电机主要应用到液压传动装置当中, 液压传动装置能够控制机械手臂进行伸长和缩短, 实现机械手臂的各种动作, 电机能够通过转动调节液压杆的油液压力, 来对机械手臂伸长或者缩短的速度进行定植, 一般情况下, 电机的额定电压为1.5~6 V之间, 额定电流在0.02~0.5 A之间, 额定转速为6 000~16 000 r/min之间。

2 对机械手的运动形态进行分析

机械手臂的运动主要体现在前臂、后臂和手掌当中, 在对机械系统的运动形态进行仿真的过程中, 可以对机械手模型中机械系统的各个部件进行仿真建模, 并且通过S tep函数来对物体合适的仰俯角度进行控制, 其中需要注意这种角度需要与机械手的活动范围保持一致。对机械手运动形态的分析主要包括物体的位移、速度和加速度, 3个转动副输出力包括手掌和前臂、后臂中间处、前臂和后臂。在对机械手后臂运动和前臂运动进行分析的过程中, 可以采用ADAMS软件来进行仿真分析, 通过建立相应的模型, 得出机械手臂的运动简图, 能够清晰明了地看出机械手臂机械系统中各个部件的运行形态, 并且在此基础上对机械手臂的运行形态和规律进行分析研究。

3 机械手臂的应力分析

机械手臂的好坏决定着机械手的工作性能, 所以说在对机械手进行设计分析的过程中, 需要对其应力进行分析, 在实际分析的过程中, 可以采用ABAQUS工程模拟有限元软件来进行, 这种模拟软件能够从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题中, 在对机械手臂的应力进行分析的过程中, 就可以以机械手臂为例, 对其静应力和动应力进行分析, 以此来对机械手工作过程中的应力情况进行控制, 防止机械手由于应力问题产生损坏, 影响实际的工作效果。

3.1 机械手臂的静应力分析。

利用ABAQUS软件对机械手臂进行静应力分析, 在分析之间, 根据机械手臂的实际结构情况来对荷载进行设置, 一般情况下设置荷载为10 0 M Pa, 在机械手臂上的各个部分进行编号, 观察编号点应力随时间的变化情况。在经过观察之后可以发现, 当后臂转动的时候, 轴给后臂以径向力, 导致后臂发生形变, 在这样的过程中, 施加在后臂上的应力较大, 在时间的不断增加中, 后臂的形变越来越明显, 这就说明应力越来越大, 在应力持续增加的情况下, 可能会导致机械手臂出现破损的现象, 影响机械手臂的正常工作。

3.2 机械手臂的动应力分析。

动应力主要指的是机械手臂在运动过程中产生的应力, 机械手在对物体进行抓取的过程中会引起机械手臂的运动, 对抓取物体的平稳性和效果产生较大的影响, 所以说一般在对机械手臂动应力分析的过程中, 主要是对是振动作用进行分析, 将利用ABAQUS软件所形成的模型直接导入动应力分析当中, 对机械手臂的变形结构进行绘制, 通过研究分析之后可以发现, 机械后臂在进行旋转运动的过程中, 会发生不同程度的振动, 这样的振动会对机械手的平稳性和抓取准确度造成一定的影响, 在对机械手臂的动应力进行分析之后, 能够得到不同情况下机械后臂的振动特点和规律, 对后臂的设计提供依据[3]。

4 结语

文章在对多用途抓取类机械手臂机械系统中各个作业部件进行仿真建模, 并且在此基础上, 对机械手中所应用的重要元件进行选择, 保证多用途抓取类机械手臂能够实现不同抓取部件之间的转换, 并且通过对机械手臂的运动和应力进行分析, 能够研究出机械手臂的运用规律和应力变化情况, 保证机械手的正常使用。

参考文献

[1]聂永芳, 许家宝.多用途抓取类机械手设计及分析[J].煤矿机械, 2016, 37 (12) :83-85.

机械手设计范文第3篇

关键词：机械手; 生产效率; 发展方向;

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备, 是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置, 在现代化生产过程中, 机械手被广泛的运用于自动化生产线中, 机器人的研制和生产已成为高技术领域内, 迅速发展起来的一门新兴技术, 它更加促进了机械手的发展, 使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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。

1 包装生产线搬运机械手设计

工业机械手可以用于简单重复的操作方面节省人力, 其效用是代替从事繁重的工作, 危险的工作, 单调重复的工作和恶劣环境下的工作等方面尤其明显。通过编程来完成各种预期的作业任务, 机械手虽然目前还不如人手那样灵活, 但它具有能不知疲劳不断重复和劳动, 精确度高、不惧危险, 抓举重物的力量比人手大等特点, 因此机械手越来越广泛的得到了应用。目前国内外应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多, 而且计算机控制的也有所应用。

1.1 搬运机械手工作原理

本次设计鉴于生产线搬运托盘抓手的局限性 (对小于等于一定尺寸的箱子适用) , 搬运的箱子的尺寸大于给定的尺寸, 无法对其搬运。主要是对托盘上的一些挡板设计的不合理 (不可调节尺寸大小) , 所以要对其加以分析, 设计, 使其应用范围更广。

该机械手主要是对物料进行抓取, 采用气压传动方式驱动, 气缸最大压力为0.4MPa。机械手的抓取部分为插齿式, 采用2个两个不同的气缸与之相互动作, 实现物料的抓取。机械手工作时, 其中气缸推动活塞杆运动, 根据物料的大小对物料进行固定。当机械手到达所指定位置后, 控制插齿的气缸运动, 活塞杆收回, 物料落下, 再次返回取料位置, 在返回途中气缸运动, 使其回到初始状态。

1.2 搬运机械手组成部分

包装生产线搬运机械手机械部件主要包括手部, 手臂前后伸缩部分, 夹板上下升降夹紧结构, 转接部分以及支撑架。

手部工作原理:物体进入机械手指之后, 通过上下气缸作用, 使夹板加紧物件, 机身转动到指定位置, 前后向气缸使机械手的手部向后缩, 实现物件的移动。

手臂的前后伸缩部分:由直线气缸带动实现, 当直线气缸工作时通过活塞杆行程的变化, 顺着前后导程方向, 完成手臂的伸缩运动。

机械手的夹紧结构工作原理:当物体进入机械手的手部时, 上下气缸的开始工作并通过活塞杆行程的变化, 沿着上下导程方向, 使夹板向下夹紧物体, 物体被固定后通过机械手的机身的旋转, 使物件放于指定位置。

1.3 搬运机械手的工作流程:

机械手的原位机械手前伸物体放于机械手上机械手向下伸缩压紧物体, 使其固定机械手机身向左回转90°机械手松开工件机械手向上运动松开物体, 使其松动机械手向后缩, 放下物体机械手机身向右回转90°机械手前伸机械手复位依次循环。

2 机械手的设计参数

机械手的设计参数包括:机械手的最大抓重、运动速度、手臂伸缩行程、工作半径和定位精度。

首先, 机械手的最大抓重是其规格的主参数, 目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。

其次, 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求, 设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是上下导程及前后导程的速度。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在。

再次, 除了运动速度以外, 手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径, 必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。

最后, 定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5~±lmm。

3 设计特点

包装生产线搬运机械手与传统搬运机械手不同特点:

(1) 本设计包装生产线搬运机械手可抓取10kg-15kg的物体, 可以解决一般物体的抓取, 提高搬运时工作效率, 并且有较高的重复定位精度。

(2) 包装生产线搬运机械手挡板和夹板都由气压缸控制, 可随搬运时箱子的大小来设定挡板和夹板的位置, 从而避免搬运时箱子的尺寸大于给定的尺寸, 无法对其搬运。

(3) 包装生产线搬运机械手搬运物体稳定性好, 夹紧效果好。

4 结束语

(1) 鉴于生产线搬运托盘抓手的局限性, 搬运的箱子的尺寸大于给定的尺寸, 无法对其搬运。对托盘上的挡板设计的不合理 (不可调节尺寸大小) , 对其加以分析, 设计, 使其应用范围更广。

(2) 包装生产线搬运机械手具有能不断重复和劳动, 不知疲劳, 精确度高、不惧危险, 抓举重物的力量比人手大的特点, 可以代替从事繁重的工作, 危险的工作, 单调重复的工作, 使生产效率大幅度提高。

参考文献

[1]王世斌, 亢一澜.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2007.

[2]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].第七版.北京:高等教育出版社, 2001.

[3]孙振燕.气动搬运机械手的机械结构设计思考[J].装备制造技术, 2014 (3) .

[4]王建军.搬运机械手仿真设计和制作[J].机械设计与制造, 2013, 01 (01) :49-52, 56.

[5]韦尧兵, 姜明星, 刘军, 等.气动搬运机械手虚拟设计[J].液压与气动, 2009, 03 (05) :04-06.

机械手设计范文第4篇

关键词：PLC控制；包装工艺；PID模糊控制

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.223

0 引言

对于企业来说，面粉包装的机械化能再提高面粉包装效率的同时大大节省劳动力成本。采用机械化包装的面粉，不仅包装效率极高，且包装的品质十分稳定。采用PLC控制的更加先进和高效面粉包装机械手的设计，是各大面粉厂家进行研发的重点目标，也是小型面粉生产厂家对产业结构升级换代的一个必由之路。

1 主要功能设计

面粉包装机械手需完成指定的工作循环，同时要根据循环过程中的反馈对循环进行协调。具有调节压力、时间、温度和速度的功能，具有质量检测、自动计量计数、完整的安全策略和根据客户需要提供的可视化操作平台等功能。

控制系统由PLC控制确定精度，并可以根据生产要求调节各项系统参数，本系统采用变频调节技术，可以让机械手系统在效率和节约方面调节侧重。总体来说设计包含软件和硬件两大部分，其中，软件控制部分包含的主要内容即对利用智能模糊PID控制结合快速逼近算法实现的封口过程的精确定位研究，结合此项工作进行PLC硬件选型，编写控制程序。如果需要，同时应开发相应的人机界面来实现监控和手动调节功能。硬件部分的设计需：（1）闭环系统的整体设计；（2）电机、变频器、PLC控制器和光电编码器等硬件的选型；（3）根据系统要求，确定系统I/O设备数量，模拟量的通道数量；（4）建立带有说明的I/O功能分配表。

2 设备组成及包装工艺

如图1所示，开机时，电机启动，通过传动机构带动拉膜带匀速转动，该速度可根据包装规格调整。拉膜外侧是高弹力胶带，内侧为正向齿形带，这种结构可以极大地加强薄膜与皮带的摩擦力，包装材料随着机械手运转向下运动，经过纠偏槽到达成型机，这样就可以对其进行桶状处理，进而加热、加压和纵向热封。

封构机在运行前回到原始位置，包装材料色标达到传感器时，传感器启动横向封口电机，每个封口器都有前后两部分组成，且采用弹簧链接。在工作循环中，两个横向封口机构能够进行互相挤压产生一定的R缩行程，采用这种设计，使两个横封头的回转中心的中心距小于两者的回转半径和。竖直方向上封口机的运动会完成包装袋的横向热封和切断，同时，启动计量螺杆，横封机构回位，等待传感器采集的下一个色标指令。

关于包装工艺，主要涉及供料、横向封装、纵向封装和切断四个方面。本设计主要以各类传感器输入和异步电机通过PLC的控制配合，将生产需求转化为精准控制的过程，达到对生产工艺可控化。

3 PLC设计

首先是确定控制方案和选型。根据统计，本设计系统具有14个开关量输入，7个输出，4个模拟量输入和两个输出，根据I/O点数需求及冗余设计，选择EM232模拟量I/O模块和EM231热电偶PID模块。这样，基本保证了光标检测、手动运行、联锁自动运行、电机速度反馈等。开关量可以控制设备的产品输送管路电磁阀、输送监视系统、横封纵封电机和信号指示系统等。4个模拟量控制热电偶温度输入和横封纵封的加热器温度等。利用MOBUS总线RS485通信调节变频器输出频率控制包装机电机的转速从而达到对工艺的控制。

在此硬件结构基础上，我们开发了手动和自动两种控制模式。手动模式中，操作员跳过PLC主机启停相应异步电机从而达到控制灌装量的目的。控制器、执行器件等开始执行相应循环。同时，操作员操作循环可以保存相关参数，进行自动模式下的循环过程。手动模式的主要目的是调试和修改生产参数。

自动模式中，PLC根据预设参数，自动执行循环包装流程。该模式下，操作员依旧可以通过修改参数干预循环过程，但此过程不打断生产。只需在调整完成后监视生产情况和指示灯，在遇紧急情况是介入停机或采取其他操作。同时，自动模式还具有光标模式，按照给定长度进行封装，无需横向封装的绝对准确。

参考文献：

[1]王元荪.一组有关面粉的中国专利[J].现代面粉工业，2011（05）.

[2]黄学敏.夏季面粉生产中应注意的问题[J].粮食流通技术.2010（06）

[3]季玉娜.买面粉如何看质量[J].农村百事通，2008（04）.

[4]真柏.靠700元起家的面粉大王[J].中等职业教育，2008（15）.

机械手设计范文第5篇

关键词：机械手；PLC；ADAMS；上下料；自动化

引言

机械手是在工业生产中较为常见的自动化设备，它通过模仿人的手臂，按照设定的路径等参数进行物件的抓取、搬运和其他操作。它主要包括执行机构、驱动机构和控制系统三大部分，控制系统一般采用DSP、单片机、PLC等芯片，时时控制各电机运动。驱动机构主要包括各种电机，执行机构主要是仿生手臂用来进行相关的操作。由于要进行较为复杂的操作需要多关节进行协同，所以多自由度机械的控制是基础，一般采用六自由度或四自由度的结构，自由度越多，其灵活性越大、操作范围越广。

自动上下料操作是指在工厂和数控加工中周期性的给机器和机床上下料。由于此项操作重复性强、危险性高、工作强度大，已经不再适合手工操作，于是自动化的机械手取而代之。机械手可以快速准确地长时间作业，定位精度高，环境适应性很好，尤其是其抓举运输可以超过人力很多，便于工业生产，所以对机械手进行研究并使其应用到上下料生产中十分必要。

1总体设计

机械手的设计方案如图1所示，该方案主要由HMI、PLC、驱动系统及机械手本体四个部分组成。

1.1机械结构设计方案

机械手的机械结构较为复杂，需要确定机械手自由度、行程和速度参数，电机选型和各轴的转动方式。

之所以为机械手添加6自由度，是为了保证机械手可以抵达任意位置，其中位置自由度3个，姿态自由度3个。通过简化分析，满足基本的上下料操作，机械手设计包括4轴4自由度，分别是X轴、Y轴、Z轴和RZ轴。机械手的结构示意图如图2所示。机械手沿X轴进行水平方向的左右移动；沿Y轴进行水平方向的前后移动；沿Z后轴进行竖直方向移动；沿RZ轴可绕Z轴旋转。

机械手的运动需要电机进行驱动，它的主要动作特性与电机参数息息相关，所以对于电机的选型是必要的。一般而言，电气式机械手常用的电机类型有伺服电机和步进电机。为使机械手能够快速移动，要求轴电机的额定转速要高、额定输出转矩还应较大。因此，X、Y、Z轴常选用伺服电机。但是对于RZ轴，由于其负载较小，精度要求较高，所以可以选择简单实用的步进电机。

电机驱动的传动方式有多种，常见的机械手传动方式包括同步带传动、滚珠丝杆传动和齿轮齿条传动。其中同步带传动是应用较多，其简单易用，保养方便；滚珠丝杆传动由于精度高、噪音低，常用于高精度的传动场合；齿轮齿条传动的特点是动力足、寿命长，但是噪音较大。综合以上多种传动方式，从精度要求和成本考虑，本文设计的机械手的X轴和Y轴采用同步带传动，Z轴采用齿轮齿条传动。

1.2控制系统设计方案

机械手的控制系统设计方案如图3所示，HMI与PLC进行数据交换，向PLC传送数据和运动控制命令的同时接收传回的数据，并进行时时显示。

2机械手关键参数设定

综合评价机械手的行动能力将以最大速度、负载能力、位置偏差阈值等参数为标准，这就需要确定电机的额定转速、电机的额定转矩、减速器的减速比、同步带轮节径等。由于机械手X轴的受力最为复杂，现以X轴为例来详细分析关键参数的设定过程，随后可用相同的方法确定其他轴的参数。

首先根据经验选择一个伺服电机，经计算满足设计要求后，进行下一处电机的确定。首先画出X轴的示意图，如图4所示。通过分析，可以计算出X轴负载的转动惯量JL，X轴最大移动速度Vmax，机械手加速过程中电机的最大输出扭矩Tmax等参数。

3控制系统硬件设计

机械手控制系统的硬件设计主要包括X轴、Y轴、Z轴伺服驱动器的选择、RZ轴步进驱动器的选择、PLC及扩展单元的选择等硬件的设计，由于篇幅所限，只以PLC的选择为例进行说明。

PLC是可编程逻辑控制器，通过数字或模拟输入输出控制整个机械生产过程。上下料机械手需要控制3个伺服电机和1个步进电机，所以PLC选型时应具有4路高速脉冲输出功能。

本例选择CP1H-Y20DT-D型PLC作为机械手的控制器。根据控制要求给各个控制对象分配IO地址，这样便于PLC寻址和精确控制被控对象。由于各个轴上具有光电开关、减速器等装置，需要对其进行IO地址的分配。当上下料开始时，PLC输出数字信号令锭床开始加工，当锐床加工结束后，PLC收到信号，继而进行下料操作。

4控制系统软件设计

PLC的高速计数器功能和串口通讯功能都将被实用，所以应先编程设置PLC，如D5所示。

在设置完PLC具体参数后，需要明确机械手的上下料过程即取料、上料及下料阶段，通过图6表示机械手上下料全过程。

机械手先从原点P0向P1点运动，当到达P1点后机械手松开，向下运动到P2点，夹爪闭合抓取工件后回到P1点；机械手夹持着工件向P3点运动，在P3点向下运动至P4上料，然后机械手运动到P3点，再运动到P5点，机械手给铣床上料完成；当加工完成后，机械手经过P6-P7-P6-P8等点的操作后，完成下料，并将工件放置在传送带上，最后其运动回P0点循环进行下一作。

控制程序方案包括回原点、示教、轨迹规划和轨迹执行四个部分；回原点操作意在令机械手上电后或者上下料结束后回到其坐标原点；示教是示教出空间上的坐标点，并存储到PLC的内存区；轨迹规划是指定轨迹上的点与示教库中点的关系，通过软件实现轨迹与示教库信息的吻合，保证运动精度；轨迹执行部分用来设置运动时的轨迹的编号、减速比、时间量等参数。

5结论

本文设计了基于PLC控制的机械手，确定了机械手的结构设计方案，分析了机械手三个轴的关键参数，明确了机械手控制系统硬件部分的元器件选型，提出了上下料过程中的控制程序基本思路，明确了回原点、示教、轨迹规划以及轨迹执行等程序方案。相信随着自动化领域的不断进步，基于PLC控制的机械手将会在精确度等方面实现新的突破，广泛应用于现代化工厂的上下料生产中，逐渐代替人工操作。

参考文献：