機械手設計

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機械手設計范文第1篇

關鍵詞 數控機床；機械手；模塊化

中圖分類號TG659 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）107-0104-02

1 數控機床機械手構造

數控機床機械手是由控制系統、驅動系統、執行機構以及位置檢測系統四大塊組成的，實際工業應用過程中，需要這四部分共同配合來完成一項任務。這里給出數控機床機械手的工作圖

1）控制系統

控制系統是機械手的大腦，它決定著機械手的具體運動方式。機械手一個動作的完成首先是由用戶向控制系統發出指令，控制系統將該指令轉化為具體的控制信號，通過程序控制電路、電極控制模塊、機械控制等幾部分來控制機械手實際運動。其次，機械控制模塊還會將機械手實際的運動情況收集起來，轉換為相應信號反饋給控制系統，以判斷機械手是否按照用戶要求運動，是否能夠準確的完成用戶所指定的任務。當反饋信號顯示機械手出現運動偏差時，控制系統將發出警報信號提示用戶。

2）驅動系統

驅動系統顧名思義是數控機床機械手中驅動執行機構運動的裝置，該裝置的主要組成部分為控制調節器、動力系統、輔助裝置等。我們在工業生產中所提及的機械傳動、液壓傳動等，均是使用較為廣泛的驅動系統。

3）執行機構

數控機床機械手外型上與人手臂相類似，也是有手腕、手臂、抓手三部分組成，特殊情況下還可以加裝移動行走機構，提高機械手運行范圍。抓手的主要作用就是抓取物料，常見的抓取方式為吸附式和手抓式。吸附式抓手是通過所安裝的吸盤來執行任務的，電磁式吸盤依靠電磁鐵所產生的磁力來吸附導磁性物質，手抓式吸盤就像是人的手一樣抓取物件，所以在實際應用中，主要用來抓取重量較輕，尺寸較小的零件。手腕部分的主要作用是用來調節工件的抓舉方位以及角度，它是連接抓手與手臂的關鍵部分。手臂部分是機械手的主要城中部分，它主要是控制抓手從最佳的角度抓取物件，同時根據軟件控制系統發出的信號，按照要求將物件放至準確位置。

4）位置檢測系統

數控機床機械手位置信號有手臂位置、抓手狀態、行走位置等幾種，信號檢測系統的主要作用就是用來檢測這幾種信號，然后將信號反饋至主控制系統用來判斷當前各個位置信號是否正確，機械手各部件是否處于正確位置，同時主控制系統向位置檢測系統發送控制信號，給出機械手下一步操作任務。

2 數控機床機械手分類

1）按照用途分類

數控機床機械手可以應用于很多種工業生產過程中，但是生產內容不同所使用的機械手類型也不同。當前數控機床機械手有專用和通用兩種，所謂專用就是只能夠用于特定的生產過程中，主控系統程序是固定的不能隨意更改的，這種機械手通常情況下用于單一工業生產過程；所謂通用就是指機械手可以用于不同工業生產過程，其主控系統程序可以根據控制需要進行更改調整，在不同場合提供不同的運動方式。

2）按照驅動方式分類

驅動方式決定著機械手的運動方式，它也是區分機械手類型的重要因素。氣壓機械手是依靠壓縮空氣來驅動的，這種機械手以空氣為介質，制造成本較低，而且能夠廣泛適用于很多高危生產環境中。此外氣壓機械手的結構相較于其他機械手簡易很多，不需要配備專業維修人員，所以這種機械手是很多工業生產控制過程的首選；液壓機械手主要用于質量很大的物件抓取，它依靠密封的液壓裝置來提供強大動力，但相應的制造成本也比較高，而且對于維護要求也比較高。

3）按照控制方式分類

現階段數控機床機械手的控制方式就兩種：點位控制和軌跡控制。點位控制思想就是路徑線段化，將機械手需要運動路徑劃分為規定距離的細小線段，劃分的線段端點越多，機械手的運動精度就越高，但同時這種控制方式對系統的要求也比較高。這種機械手在當前很多工業控制過程中被廣泛使用；軌跡控制相較于點位控制而言技術要求就更高一些，它可以滿足機械手在任意空間范圍內的運動，而且運行過程更加的穩定準確。這種機械手的控制系統更為復雜，通常情況下需要計算機參與輔助控制。

3 機械手模塊化設計理念

模塊化設計理念是伴隨著工業制造方式的不斷轉變而興起的，它是將一個整體分割成若干個獨立的功能結構，不同部分可以同時設計，然后再組合成一個整體。這種理念簡化了設計過程，優化了系統結構，機構中每一個功能及部件都具有較高的獨立性，極大地提高了機構的適用范圍。模塊化產品設計中最根本最核心的內容就是保證功能結構以及物理結構的相似性，同時相互獨立的功能部件可以可靠協調工作。對機構進行模塊設計時可以沿著功能體系和構造體系兩條主線進行，因為系統能夠體現出來的任何一項功能，都是建立在其他功能基礎之上的，也就是說系統功能具有上下層關系。此外，系統中還存在著并列功能形式，即一個功能對應著系統可以實現的多個功能。在進行數控機床機械手模塊化設計時，我們可以根據實際作業的要求來劃分機械手的單元模塊。機械手底座是所有功能實現的基礎，所以要將它設定為整體模塊化設計的基礎，然后再根據不同結構所承擔的不同功能來設計。經過實踐證明，模塊化設計能夠大幅度降低機械手的設計成本，縮減整體設計時間，以最快的速度滿足工業生產控制的需要。

1）模塊化機械手結構及設計流程

從數控機床機械手各個機構功能的角度出發，可以將其分為手部模塊、腕部模塊以及臂部模塊。

2）機械手模塊組成及功能分析

（1）手部模塊組成及功能分析

機械手手部模塊中最重要的組成部分就是手指，它主要用來抓取待加工工件。氣動機械手氣爪是當前應用最為廣泛的結構，這種手指能夠自動對中，雙向高精度抓取。常見的有2指氣爪、3指氣爪以及多指氣爪。在實際工業生產應用中，以抓取棒料為主，例如￠80×6Omm圓柱型工件

聯接件的作用是控制手指抓取直徑，氣爪運動的最大直徑為D2，最小直徑為D1。外夾持氣爪的夾持力方向是從工件表面指向工件圓心。

（2）腕部模塊組成及功能分析

機械手腕部模塊是由擺動氣缸和聯接件組成的，它可以保證機械手在90°范圍內自由旋轉。圖中所示聯接件1是連接高精度頭型調節機構與擺動氣缸的，聯接件2是連接擺動氣缸與氣爪的。

通常情況下，聯接件都設計有槽與軸相對應的孔，并通過鍵聯接方式將氣缸與孔連通。采用螺釘固定的方式防止鍵的軸向移動。

（3）手臂模塊組成及功能分析

圖1所示為橫臂模塊的結構圖，橫臂是由ML2B氣缸、聯接件、導軌三部分組成的。這三部分均安裝在門架橫梁上，而且可以在水平方向自由移動。機械手的橫臂與直臂也是通過連接件連接在一起的，而且通過高精度柔性調節機構來保證機械手氣爪與機床卡盤的對中精度（圖2）。

參考文獻

[1]劉進長.抓住機遇促成飛躍-我國機器人產業發展的若干思考[J].機器人技術與應用，2007（3）：7-9.

機械手設計范文第2篇

關鍵詞：多用途抓取類機械手; 設計; 分析;

在人們的社會活動和生產生活當中, 多用途抓取類機械手發揮了較大的作用, 能夠幫助人們在危險的環境中進行各種操作, 目前抓取類機械手在工業生產中也有較大的發揮。為了進一步提高抓取類機械手的工作效果, 需要在對不同種類機械手的整體特點和結構進行分析的基礎上, 在機械手端部采取電磁鐵進行吸附連接, 以此來實現多種機械手之間的靈活轉換, 形成多用途抓取類機械手, 并且在機械手部分加上壓力傳感器和遠程控制系統, 以此來對物品的硬度進行判斷, 從而選擇更加合適的傳動方式和驅動方式。

1 多用途抓取類機械手的仿真

1.1 建模仿真

目前常見的多用途抓取類機械手主要包括吸盤式、兩爪式和三爪式等類型, 分別在不同場合中進行工作, 在對這些多用途抓取類機械手進行仿真建模的過程中, 其主要包括液壓系統、機械系統、控制系統和動力系統。機械系統是多功能機械手完成各項動作的執行結構, 通常包括機械手抓、前臂、支架和底座等工作裝置, 在對機械系統進行建模的過程中, 需要對不同的結構配件執行最基本的建模命令, 形成相應的機械結構部件。然后根據機械部件類型的不同, 將機械系統中的機械部件進行相互連接, 主要包括機械手底座與后臂之間的連接, 前臂孔和后臂孔之間的連接, 在機械系統連接完成之后, 對液壓裝置進行裝配, 形成完整的機械手模型[1]。

1.2 對重要元件進行選擇

為了保證多用途抓取類機械手能夠在不同的環境場合中進行工作, 同時在最大程度上提高機械手的抓取效果, 需要對其中的重要元件進行選擇。這些重要元件主要包括這樣幾個部分:首先是壓力傳感器, 壓力傳感器主要安裝在機械手指之間, 在機械手進行抓取動作的過程中, 壓力傳感器能夠在對物體的硬度進行判斷的基礎上, 對所施加的壓力進行控制, 保證機械手能夠順利地夾取不同硬度的物體, 在壓力傳感器的選擇上, 可以選擇薄片式電阻式應變片來進行使用。另外一種重要元件為PIC控制系統, 根據實際情況來對PLC控制系統設定參考壓力值, 在輸入壓力和參考壓力值進行比較之后, 對電動機的輸出功率進行調節, 以此來對機械手爪的輸出動力進行控制, 方便機械手爪抓取各種不同硬度的物體, 對于PLC控制器的選擇, 可以使用三菱FX1S-14M T-E S S/UL。對電磁鐵的選擇, 電磁鐵在通電的情況下能夠產生強大的吸附力, 通常應用到吸附式機械手當中, 能夠對物體產生吸附力, 使物體進行移動或者拾取, 實現各種抓取部件的靈活轉換, 對于電磁鐵的選擇需要根據機械手的類型和使用場合進行確定[2]。最后是對電機的選擇, 電機主要應用到液壓傳動裝置當中, 液壓傳動裝置能夠控制機械手臂進行伸長和縮短, 實現機械手臂的各種動作, 電機能夠通過轉動調節液壓桿的油液壓力, 來對機械手臂伸長或者縮短的速度進行定植, 一般情況下, 電機的額定電壓為1.5~6 V之間, 額定電流在0.02~0.5 A之間, 額定轉速為6 000~16 000 r/min之間。

2 對機械手的運動形態進行分析

機械手臂的運動主要體現在前臂、后臂和手掌當中, 在對機械系統的運動形態進行仿真的過程中, 可以對機械手模型中機械系統的各個部件進行仿真建模, 并且通過S tep函數來對物體合適的仰俯角度進行控制, 其中需要注意這種角度需要與機械手的活動范圍保持一致。對機械手運動形態的分析主要包括物體的位移、速度和加速度, 3個轉動副輸出力包括手掌和前臂、后臂中間處、前臂和后臂。在對機械手后臂運動和前臂運動進行分析的過程中, 可以采用ADAMS軟件來進行仿真分析, 通過建立相應的模型, 得出機械手臂的運動簡圖, 能夠清晰明了地看出機械手臂機械系統中各個部件的運行形態, 并且在此基礎上對機械手臂的運行形態和規律進行分析研究。

3 機械手臂的應力分析

機械手臂的好壞決定著機械手的工作性能, 所以說在對機械手進行設計分析的過程中, 需要對其應力進行分析, 在實際分析的過程中, 可以采用ABAQUS工程模擬有限元軟件來進行, 這種模擬軟件能夠從相對簡單的線性分析到復雜的非線性問題中, 在對機械手臂的應力進行分析的過程中, 就可以以機械手臂為例, 對其靜應力和動應力進行分析, 以此來對機械手工作過程中的應力情況進行控制, 防止機械手由于應力問題產生損壞, 影響實際的工作效果。

3.1 機械手臂的靜應力分析。

利用ABAQUS軟件對機械手臂進行靜應力分析, 在分析之間, 根據機械手臂的實際結構情況來對荷載進行設置, 一般情況下設置荷載為10 0 M Pa, 在機械手臂上的各個部分進行編號, 觀察編號點應力隨時間的變化情況。在經過觀察之后可以發現, 當后臂轉動的時候, 軸給后臂以徑向力, 導致后臂發生形變, 在這樣的過程中, 施加在后臂上的應力較大, 在時間的不斷增加中, 后臂的形變越來越明顯, 這就說明應力越來越大, 在應力持續增加的情況下, 可能會導致機械手臂出現破損的現象, 影響機械手臂的正常工作。

3.2 機械手臂的動應力分析。

動應力主要指的是機械手臂在運動過程中產生的應力, 機械手在對物體進行抓取的過程中會引起機械手臂的運動, 對抓取物體的平穩性和效果產生較大的影響, 所以說一般在對機械手臂動應力分析的過程中, 主要是對是振動作用進行分析, 將利用ABAQUS軟件所形成的模型直接導入動應力分析當中, 對機械手臂的變形結構進行繪制, 通過研究分析之后可以發現, 機械后臂在進行旋轉運動的過程中, 會發生不同程度的振動, 這樣的振動會對機械手的平穩性和抓取準確度造成一定的影響, 在對機械手臂的動應力進行分析之后, 能夠得到不同情況下機械后臂的振動特點和規律, 對后臂的設計提供依據[3]。

4 結語

文章在對多用途抓取類機械手臂機械系統中各個作業部件進行仿真建模, 并且在此基礎上, 對機械手中所應用的重要元件進行選擇, 保證多用途抓取類機械手臂能夠實現不同抓取部件之間的轉換, 并且通過對機械手臂的運動和應力進行分析, 能夠研究出機械手臂的運用規律和應力變化情況, 保證機械手的正常使用。

參考文獻

[1]聶永芳, 許家寶.多用途抓取類機械手設計及分析[J].煤礦機械, 2016, 37 (12) :83-85.

機械手設計范文第3篇

關鍵詞：機械手; 生產效率; 發展方向;

機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備, 是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置, 在現代化生產過程中, 機械手被廣泛的運用于自動化生產線中, 機器人的研制和生產已成為高技術領域內, 迅速發展起來的一門新興技術, 它更加促進了機械手的發展, 使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器, 它有多個自由度, 可用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。

1 包裝生產線搬運機械手設計

工業機械手可以用于簡單重復的操作方面節省人力, 其效用是代替從事繁重的工作, 危險的工作, 單調重復的工作和惡劣環境下的工作等方面尤其明顯。通過編程來完成各種預期的作業任務, 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活, 但它具有能不知疲勞不斷重復和勞動, 精確度高、不懼危險, 抓舉重物的力量比人手大等特點, 因此機械手越來越廣泛的得到了應用。目前國內外應用于生產實際的工業機器人特別是示教再現性機器人不斷增多, 而且計算機控制的也有所應用。

1.1 搬運機械手工作原理

本次設計鑒于生產線搬運托盤抓手的局限性 (對小于等于一定尺寸的箱子適用) , 搬運的箱子的尺寸大于給定的尺寸, 無法對其搬運。主要是對托盤上的一些擋板設計的不合理 (不可調節尺寸大小) , 所以要對其加以分析, 設計, 使其應用范圍更廣。

該機械手主要是對物料進行抓取, 采用氣壓傳動方式驅動, 氣缸最大壓力為0.4MPa。機械手的抓取部分為插齒式, 采用2個兩個不同的氣缸與之相互動作, 實現物料的抓取。機械手工作時, 其中氣缸推動活塞桿運動, 根據物料的大小對物料進行固定。當機械手到達所指定位置后, 控制插齒的氣缸運動, 活塞桿收回, 物料落下, 再次返回取料位置, 在返回途中氣缸運動, 使其回到初始狀態。

1.2 搬運機械手組成部分

包裝生產線搬運機械手機械部件主要包括手部, 手臂前后伸縮部分, 夾板上下升降夾緊結構, 轉接部分以及支撐架。

手部工作原理:物體進入機械手指之后, 通過上下氣缸作用, 使夾板加緊物件, 機身轉動到指定位置, 前后向氣缸使機械手的手部向后縮, 實現物件的移動。

手臂的前后伸縮部分:由直線氣缸帶動實現, 當直線氣缸工作時通過活塞桿行程的變化, 順著前后導程方向, 完成手臂的伸縮運動。

機械手的夾緊結構工作原理:當物體進入機械手的手部時, 上下氣缸的開始工作并通過活塞桿行程的變化, 沿著上下導程方向, 使夾板向下夾緊物體, 物體被固定后通過機械手的機身的旋轉, 使物件放于指定位置。

1.3 搬運機械手的工作流程:

機械手的原位機械手前伸物體放于機械手上機械手向下伸縮壓緊物體, 使其固定機械手機身向左回轉90°機械手松開工件機械手向上運動松開物體, 使其松動機械手向后縮, 放下物體機械手機身向右回轉90°機械手前伸機械手復位依次循環。

2 機械手的設計參數

機械手的設計參數包括:機械手的最大抓重、運動速度、手臂伸縮行程、工作半徑和定位精度。

首先, 機械手的最大抓重是其規格的主參數, 目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數最多。

其次, 運動速度是機械手主要的基本參數。操作節拍對機械手速度提出了要求, 設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是上下導程及前后導程的速度。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在。

再次, 除了運動速度以外, 手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑, 必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。

最后, 定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為土0.5~±lmm。

3 設計特點

包裝生產線搬運機械手與傳統搬運機械手不同特點:

(1) 本設計包裝生產線搬運機械手可抓取10kg-15kg的物體, 可以解決一般物體的抓取, 提高搬運時工作效率, 并且有較高的重復定位精度。

(2) 包裝生產線搬運機械手擋板和夾板都由氣壓缸控制, 可隨搬運時箱子的大小來設定擋板和夾板的位置, 從而避免搬運時箱子的尺寸大于給定的尺寸, 無法對其搬運。

(3) 包裝生產線搬運機械手搬運物體穩定性好, 夾緊效果好。

4 結束語

(1) 鑒于生產線搬運托盤抓手的局限性, 搬運的箱子的尺寸大于給定的尺寸, 無法對其搬運。對托盤上的擋板設計的不合理 (不可調節尺寸大小) , 對其加以分析, 設計, 使其應用范圍更廣。

(2) 包裝生產線搬運機械手具有能不斷重復和勞動, 不知疲勞, 精確度高、不懼危險, 抓舉重物的力量比人手大的特點, 可以代替從事繁重的工作, 危險的工作, 單調重復的工作, 使生產效率大幅度提高。

參考文獻

[1]王世斌, 亢一瀾.材料力學[M].北京:高等教育出版社, 2007.

[2]濮良貴, 紀名剛.機械設計[M].第七版.北京:高等教育出版社, 2001.

[3]孫振燕.氣動搬運機械手的機械結構設計思考[J].裝備制造技術, 2014 (3) .

[4]王建軍.搬運機械手仿真設計和制作[J].機械設計與制造, 2013, 01 (01) :49-52, 56.

[5]韋堯兵, 姜明星, 劉軍, 等.氣動搬運機械手虛擬設計[J].液壓與氣動, 2009, 03 (05) :04-06.

機械手設計范文第4篇

關鍵詞：PLC控制；包裝工藝；PID模糊控制

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.223

0 引言

對于企業來說，面粉包裝的機械化能再提高面粉包裝效率的同時大大節省勞動力成本。采用機械化包裝的面粉，不僅包裝效率極高，且包裝的品質十分穩定。采用PLC控制的更加先進和高效面粉包裝機械手的設計，是各大面粉廠家進行研發的重點目標，也是小型面粉生產廠家對產業結構升級換代的一個必由之路。

1 主要功能設計

面粉包裝機械手需完成指定的工作循環，同時要根據循環過程中的反饋對循環進行協調。具有調節壓力、時間、溫度和速度的功能，具有質量檢測、自動計量計數、完整的安全策略和根據客戶需要提供的可視化操作平臺等功能。

控制系統由PLC控制確定精度，并可以根據生產要求調節各項系統參數，本系統采用變頻調節技術，可以讓機械手系統在效率和節約方面調節側重。總體來說設計包含軟件和硬件兩大部分，其中，軟件控制部分包含的主要內容即對利用智能模糊PID控制結合快速逼近算法實現的封口過程的精確定位研究，結合此項工作進行PLC硬件選型，編寫控制程序。如果需要，同時應開發相應的人機界面來實現監控和手動調節功能。硬件部分的設計需：（1）閉環系統的整體設計；（2）電機、變頻器、PLC控制器和光電編碼器等硬件的選型；（3）根據系統要求，確定系統I/O設備數量，模擬量的通道數量；（4）建立帶有說明的I/O功能分配表。

2 設備組成及包裝工藝

如圖1所示，開機時，電機啟動，通過傳動機構帶動拉膜帶勻速轉動，該速度可根據包裝規格調整。拉膜外側是高彈力膠帶，內側為正向齒形帶，這種結構可以極大地加強薄膜與皮帶的摩擦力，包裝材料隨著機械手運轉向下運動，經過糾偏槽到達成型機，這樣就可以對其進行桶狀處理，進而加熱、加壓和縱向熱封。

封構機在運行前回到原始位置，包裝材料色標達到傳感器時，傳感器啟動橫向封口電機，每個封口器都有前后兩部分組成，且采用彈簧鏈接。在工作循環中，兩個橫向封口機構能夠進行互相擠壓產生一定的R縮行程，采用這種設計，使兩個橫封頭的回轉中心的中心距小于兩者的回轉半徑和。豎直方向上封口機的運動會完成包裝袋的橫向熱封和切斷，同時，啟動計量螺桿，橫封機構回位，等待傳感器采集的下一個色標指令。

關于包裝工藝，主要涉及供料、橫向封裝、縱向封裝和切斷四個方面。本設計主要以各類傳感器輸入和異步電機通過PLC的控制配合，將生產需求轉化為精準控制的過程，達到對生產工藝可控化。

3 PLC設計

首先是確定控制方案和選型。根據統計，本設計系統具有14個開關量輸入，7個輸出，4個模擬量輸入和兩個輸出，根據I/O點數需求及冗余設計，選擇EM232模擬量I/O模塊和EM231熱電偶PID模塊。這樣，基本保證了光標檢測、手動運行、聯鎖自動運行、電機速度反饋等。開關量可以控制設備的產品輸送管路電磁閥、輸送監視系統、橫封縱封電機和信號指示系統等。4個模擬量控制熱電偶溫度輸入和橫封縱封的加熱器溫度等。利用MOBUS總線RS485通信調節變頻器輸出頻率控制包裝機電機的轉速從而達到對工藝的控制。

在此硬件結構基礎上，我們開發了手動和自動兩種控制模式。手動模式中，操作員跳過PLC主機啟停相應異步電機從而達到控制灌裝量的目的。控制器、執行器件等開始執行相應循環。同時，操作員操作循環可以保存相關參數，進行自動模式下的循環過程。手動模式的主要目的是調試和修改生產參數。

自動模式中，PLC根據預設參數，自動執行循環包裝流程。該模式下，操作員依舊可以通過修改參數干預循環過程，但此過程不打斷生產。只需在調整完成后監視生產情況和指示燈，在遇緊急情況是介入停機或采取其他操作。同時，自動模式還具有光標模式，按照給定長度進行封裝，無需橫向封裝的絕對準確。

參考文獻：

[1]王元蓀.一組有關面粉的中國專利[J].現代面粉工業，2011（05）.

[2]黃學敏.夏季面粉生產中應注意的問題[J].糧食流通技術.2010（06）

[3]季玉娜.買面粉如何看質量[J].農村百事通，2008（04）.

[4]真柏.靠700元起家的面粉大王[J].中等職業教育，2008（15）.

機械手設計范文第5篇

關鍵詞：機械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化

引言

機械手是在工業生產中較為常見的自動化設備，它通過模仿人的手臂，按照設定的路徑等參數進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執行機構、驅動機構和控制系統三大部分，控制系統一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動。驅動機構主要包括各種電機，執行機構主要是仿生手臂用來進行相關的操作。由于要進行較為復雜的操作需要多關節進行協同，所以多自由度機械的控制是基礎，一般采用六自由度或四自由度的結構，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

自動上下料操作是指在工廠和數控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復性強、危險性高、工作強度大，已經不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速準確地長時間作業，定位精度高，環境適應性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業生產，所以對機械手進行研究并使其應用到上下料生產中十分必要。

1總體設計

機械手的設計方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅動系統及機械手本體四個部分組成。

1.1機械結構設計方案

機械手的機械結構較為復雜，需要確定機械手自由度、行程和速度參數，電機選型和各軸的轉動方式。

之所以為機械手添加6自由度，是為了保證機械手可以抵達任意位置，其中位置自由度3個，姿態自由度3個。通過簡化分析，滿足基本的上下料操作，機械手設計包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機械手的結構示意圖如圖2所示。機械手沿X軸進行水平方向的左右移動；沿Y軸進行水平方向的前后移動；沿Z后軸進行豎直方向移動；沿RZ軸可繞Z軸旋轉。

機械手的運動需要電機進行驅動，它的主要動作特性與電機參數息息相關，所以對于電機的選型是必要的。一般而言，電氣式機械手常用的電機類型有伺服電機和步進電機。為使機械手能夠快速移動，要求軸電機的額定轉速要高、額定輸出轉矩還應較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機。但是對于RZ軸，由于其負載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實用的步進電機。

電機驅動的傳動方式有多種，常見的機械手傳動方式包括同步帶傳動、滾珠絲桿傳動和齒輪齒條傳動。其中同步帶傳動是應用較多，其簡單易用，保養方便；滾珠絲桿傳動由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動場合；齒輪齒條傳動的特點是動力足、壽命長，但是噪音較大。綜合以上多種傳動方式，從精度要求和成本考慮，本文設計的機械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動，Z軸采用齒輪齒條傳動。

1.2控制系統設計方案

機械手的控制系統設計方案如圖3所示，HMI與PLC進行數據交換，向PLC傳送數據和運動控制命令的同時接收傳回的數據，并進行時時顯示。

2機械手關鍵參數設定

綜合評價機械手的行動能力將以最大速度、負載能力、位置偏差閾值等參數為標準，這就需要確定電機的額定轉速、電機的額定轉矩、減速器的減速比、同步帶輪節徑等。由于機械手X軸的受力最為復雜，現以X軸為例來詳細分析關鍵參數的設定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數。

首先根據經驗選擇一個伺服電機，經計算滿足設計要求后，進行下一處電機的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過分析，可以計算出X軸負載的轉動慣量JL，X軸最大移動速度Vmax，機械手加速過程中電機的最大輸出扭矩Tmax等參數。

3控制系統硬件設計

機械手控制系統的硬件設計主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅動器的選擇、RZ軸步進驅動器的選擇、PLC及擴展單元的選擇等硬件的設計，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進行說明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過數字或模擬輸入輸出控制整個機械生產過程。上下料機械手需要控制3個伺服電機和1個步進電機，所以PLC選型時應具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機械手的控制器。根據控制要求給各個控制對象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和精確控制被控對象。由于各個軸上具有光電開關、減速器等裝置，需要對其進行IO地址的分配。當上下料開始時，PLC輸出數字信號令錠床開始加工，當銳床加工結束后，PLC收到信號，繼而進行下料操作。

4控制系統軟件設計

PLC的高速計數器功能和串口通訊功能都將被實用，所以應先編程設置PLC，如D5所示。

在設置完PLC具體參數后，需要明確機械手的上下料過程即取料、上料及下料階段，通過圖6表示機械手上下料全過程。

機械手先從原點P0向P1點運動，當到達P1點后機械手松開，向下運動到P2點，夾爪閉合抓取工件后回到P1點；機械手夾持著工件向P3點運動，在P3點向下運動至P4上料，然后機械手運動到P3點，再運動到P5點，機械手給銑床上料完成；當加工完成后，機械手經過P6-P7-P6-P8等點的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上，最后其運動回P0點循環進行下一作。

控制程序方案包括回原點、示教、軌跡規劃和軌跡執行四個部分；回原點操作意在令機械手上電后或者上下料結束后回到其坐標原點；示教是示教出空間上的坐標點，并存儲到PLC的內存區；軌跡規劃是指定軌跡上的點與示教庫中點的關系，通過軟件實現軌跡與示教庫信息的吻合，保證運動精度；軌跡執行部分用來設置運動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數。

5結論

本文設計了基于PLC控制的機械手，確定了機械手的結構設計方案，分析了機械手三個軸的關鍵參數，明確了機械手控制系統硬件部分的元器件選型，提出了上下料過程中的控制程序基本思路，明確了回原點、示教、軌跡規劃以及軌跡執行等程序方案。相信隨著自動化領域的不斷進步，基于PLC控制的機械手將會在精確度等方面實現新的突破，廣泛應用于現代化工廠的上下料生產中，逐漸代替人工操作。

參考文獻：