1、摘 要本文簡要介紹了機械手的概念，機械手的組成和分類，國內(nèi)外的發(fā)展狀況及發(fā)展前景。本文對機械手進行總體方案設計，結合生產(chǎn)實際及理論確定了機械手的結構及動作過程，坐標型式和自由度數(shù)，并列出了機械手的技術參數(shù)。設計出了機械手的驅動方案、控制方案，在進行控制方案的選取時進行了不同方案的優(yōu)缺點的對比，最后確定了具體的控制方案。在進行機械手控制器件的選取時，對控制器件選擇進行了詳細的分析，如對步進電機參數(shù)的具體選取。最后介紹了利用可編程序控制器對機械手進行控制，同時敘述了可編程序控制器選取原則及工作過程，并繪制出了可編程序控制器外部接線圖。在用可編程序控制器控制時分為手動和自動兩種工作方式，并繪制了自動

2、工作方式的順序功能圖。關鍵詞機械手的概念，機械手控制器件，可編程序控制器（PLC） 1目 錄中文摘要.1英文摘要.2一、引言1.1 簡要介紹機械手的概念 .41.2 機械手的組成和分類 .51.2.1 機械手的組成.51.2.2 機械手的分類.51.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況.6二、三軸自由度機械手的結構及動作過程 .7機械手的結構.72.12.2 機械手的動作過程. 82.3 機械手的驅動方案設計 . 92.4 機械手的控制方案設計 . 92.5 機械手的座標型式與自由度 . 102.6 機械手的技術參數(shù)列表 . 11 . 113.1步進電機及其驅動器選擇.11.3.2直流電機及其驅動器選擇 . 1

3、23.3旋轉編碼器的選擇. 14四、機械手的 PLC 控制設計.155.1 可編程序控制器的選擇 . 155.2 可編程序控制器的工作過程 . 16總結. 19致謝. 20參考文獻.20附錄.212 隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術和計算軟、硬件技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術快速發(fā)展，其中氣動機械手系統(tǒng)由于其介質來源簡便以及不污染環(huán)境、 組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機械手有氣控機械手、 XY 軸絲杠組、轉盤機構、旋轉基座等機械部分組

4、成。主要作用是完成機械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、 便利。 隨著工業(yè)自動化程度的提高，機械手的應用領域越來越廣。機械手能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度、提高生產(chǎn)效率。1.1 機械手概述機械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工

5、業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。3機械手實例越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方4式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。 它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通

6、過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand 作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況機械手首先是從美國開始研制的。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂

7、可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 ,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于 1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970年開

8、始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國 KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，5至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中

9、的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應用的機械手絕大部分為專用機械手一設備,其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展 ,目前應用的都是開關式點位控制型 ,伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中 ,連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式有觸點固定程序控制占絕大多數(shù) ,專用機械手多采用這種控制二、三軸聯(lián)動簡易機械手的結構及動作過程機械手結構如下圖 1 所示，有氣控機械手 (1) 軸絲杠組 (2)、轉盤機構(3)、旋轉基座 (4)等組成。6其運動控制方式為： 三自由度機械手為圓柱坐標型。 圖 1 為機械手結構示意圖，(1

10、)氣控機械手 (有光電傳感器確定起始 0 機械手手臂的左右運動（左右方向）由步進電機驅動絲杠組件完成，上下運動升降步進電機控制； (3) 逆時針和順時針旋轉運動可由回旋(垂直方向 )由360的轉盤機構能帶動機械手及絲杠組自由旋轉 (其電氣拖動部分由直流電動機、 光電編碼器、接近開關等組成 )；(4)旋轉基座主要支撐以上 3 部分；(5) 機械手的夾緊裝置采用關節(jié)結構，氣控機械手的張合由氣壓控制壓驅動，并由電磁閥控制(充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開 )。機械手可以根據(jù)設定程序的動作將工件從A 處搬運到 B 處。SQ1，SQ2，SQ5 為水平和垂直方向上的限位開關， SQ3 為原點位置和終點位

11、置的光接近開關。如圖 2.1 所示。2.2 機械手的動作過程其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統(tǒng)開始動作步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；轉盤直流電機轉動使機械手整體運動，轉到貨物接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后氣7閥 放 氣 ， 機 械 手 松 開 貨 物 ； 系 統(tǒng) 回 位 準 備 下 一 次 動 作 。圖 2.1大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動雖然它在智能控制方面有較強大的功能， 但它的抗干擾性差，三自由度機械手系統(tǒng)設置了手動工作方式和自動工作方式。 自動方式又分為自動回原點、單步、單周期、連續(xù)四種工作方式。4種

12、:(1)直角坐標型機械手 ;(2)圓柱坐標型機械手 ; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊機械手工作示意圖9一、用途：搬運 :用于車間搬運二、設計技術參數(shù) :1、抓重:60Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):3個自由度3、座標型式:圓柱座標4、最大工作半徑 :1600mm5、手臂最大中心高 :1248mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉范圍: 03603.1 步進電機及其驅動器的選擇步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。在非超載情況下，電機的轉速

13、、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領域應用得非常廣泛。10電流值為 3A/相(峰值)，通過驅動器面板上六位撥碼開關的第64 細分 7 種運行模式，利用驅動器面板上六位撥碼開關的第組合出不同的狀態(tài)。機，將電能轉換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能由直流電動機和發(fā)電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作

14、用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。直流無刷電機結構圖按類型主要分為直流有刷電機和直流無刷電機。直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。4 串勵直流電機可回旋 360 串勵直流電機的轉盤機構有直流無刷電機帶動， 系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的 57BL1010H1 無刷直流電機，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的 BL-0408 驅動器，其采用 2448V 直

15、流供電，有起停及轉向控制、過流、過壓及堵轉保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快速停機等特點。3.3 旋轉編碼器的選擇旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數(shù)字量輸出（REP）。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數(shù)主要有每轉脈沖數(shù)（幾十個到幾千個都有）和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組 A/B 相位差 90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。編碼器如以信號原理來分可分為增量脈沖編碼器(SPC) 和絕對脈沖編碼器（AP）。兩者一般都

16、應用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”。在可回旋 360的轉盤機構上，可安裝 OMRON 公司生產(chǎn)的 E6A2 增量型旋轉編碼器。13歐姆龍omron 增量型旋轉式編碼器PLC 機型選擇的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型。通常做法是，在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場合，建議選用整體式結構的復雜，控制功能要求比較

17、高的工程項目中（如要實現(xiàn)應該注意的是，同一企業(yè)應盡量做到機型統(tǒng)一。這樣，同一機型的模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術力量的培訓、技術水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，因此，配以上位計算機后即可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺 PLC 聯(lián)成一個 DCS 系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。PLC主控制系統(tǒng)可選用三菱 FX2N 系列晶體管輸出型 PLC用 SH-20403 型模塊。機械手的外部接線圖如圖 2 所示。5.1 可編程序控制器的工作過程機械手在最上面、 最右邊，底盤轉至光接近開關 X3 處且夾緊裝置松開時稱系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。 X10 為手動控制按鈕，按下該按鈕后，可以進行按鍵開關 X20X27 對應的手動操作。 X11X15 分別為自動方式中的回原點、單 按下其中的某一個按鈕， 再按起動按鈕 X0，該工作方式的動作就會自動執(zhí)行。步進電機只有在有脈沖信號(Y0)和方向信號(Y2 或 Y3)輸入時才會轉動， 選擇