级机电一体化毕业设计（论文） - 机械手设计

目 录

第一章 绪论 ................................................... 1 1.1 气动机械手概述 ............................................ 3 1.2 机械手的组成和分类 ........................................ 4 1.2.1机械手的组成 ......................................... 4 (一)执行机构 .................................................. 5 1、手部 .................................................... 5 2、手腕 .................................................... 5 3、手臂 .................................................... 6 4、立柱 .................................................... 6 5、行走机构 ................................................ 6 6、机座 .................................................... 6 (二)驱动系统 .................................................. 6 (三)控制系统 .................................................. 7 (四)位臵检测装臵 .............................................. 7 1.2.2机械手的分类 ......................................... 7 (一)按用途分 .................................................. 7 (二)按驱动方式分 .............................................. 8 (三)按控制方式分 .............................................. 9 1.4.2课题的主要任务 ....................................... 9 第二章 机械手的设计方案 ...................................... 10 2.1机械手的坐标型式与自由度 ................................. 10

1

2.2 机械手的手部结构方案设计 ................................. 11 2.3 机械手的手腕结构方案设计 ................................. 12 2.4 机械手的手臂结构方案设计 ................................. 12 2.5 机械手的驱动方案设计 ..................................... 12 2.6 机械手的控制方案设计 ..................................... 12 2.7 机械手的主要参数 ......................................... 12 2.8 机械手的技术参数列表 ..................................... 13 一、用途: .................................................... 13 二、设计技术参数: ............................................ 13 第三章 手臂伸缩、回转气缸的尺寸设计与校核 ..................... 15 3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 ............................. 15 3.1.2 平衡装臵 ............................................... 17 3.2手腕回转气缸的尺寸设计与校核 ............................. 17 3.2.1 尺寸设计 ............................................ 17 3.2.2 尺寸校核 ............................................ 17 第四章 气动系统设计 ........................................... 18 4．1 气压传动系统工作原理图 .................................. 18 第五章 机械手的PLC控制设计 .................................. 20 5.1可编程序控器的简介 ....................................... 20 5.2 PLC的结构，种类和分类 ................................... 21 （一）中央处理单元(CPU) ...................................... 22 （二） 存储器 ................................................ 22

2

（三） 电源 .................................................. 23 (一) 小型PLC ................................................ 23 (二) 中型PLC ................................................ 23 (三) 大型PLC ................................................ 23 5.3 FX2n系列三菱PLC特点： .................................. 24 5.4 接近开关传感器 ........................................... 25 3 接近开关传感器的原理图: .................................... 26 5.5 I/O接口简介 .......................................... 26 5.6 行程开关的介绍 ........................................... 27 5.6.1 行程开关的概念 ...................................... 27 5.6.2 行程开关的作用及原理 ................................ 27 5.7电路的总体设计 ........................................... 27 5.7.1 回路的设计 整个系统的回路设计如下: ................. 27 5.7.2 系统输入/输出分布表 ................................. 28 5.7．3机械手的程序设计 ................................... 29 5.7.4 步进电机的运行控制 .................................. 30 1.步数控制 ................................................... 30 2．手动控制步进电机 .......................................... 30 第六章 结 论 ................................................ 42 结束语 ....................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ...................................................... 43

3

第一章 绪论

摘 要

伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，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。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位臵来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱Q系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。

(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

1

(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位臵、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配臵技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生臵身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7) 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装臵已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我

2

国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.1 气动机械手概述

气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装臵构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了

3

人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装臵，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装臵。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装臵，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 机械手的组成和分类 1.2.1机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位臵检测装臵等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。

4

图1-1机械手组成方框图:

Pane chart of composition of manipulator (一)执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位臵，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕

5

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位臵.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装臵。

6、机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

(二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装臵调节装臵和辅助装臵组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般

6

由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，

并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

(三)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

(四)位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位臵，并随时将执行机构的实际位臵反馈给控制系统，并与设定的位臵进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位臵.

1.2.2机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

(一)按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机

7

械装臵。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。

2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

(二)按驱动方式分

1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装臵要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机

8

械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

(三)按控制方式分

1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位臵，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

1.4.2课题的主要任务

本课题将要完成的主要任务如下:

(1) 进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计； (2) 设计气动机械手气路设计，进行关键部件的设计计算； (3) 用PLC对机械手控制的总体设计；

9

第二章 机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位臵都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)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;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.

2.1机械手的坐标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度

10

图2-1 机械手的运动示意图

2.2 机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

11

2.3 机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放臵，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5 机械手的驱动方案设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

2.6 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.7 机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为1公斤。

2.基本参数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手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为0.1m/s。最大回

12

转速度设计为90?/s。平均移动速度为0.08m/s。平均回转速度为60?/s。

2.8 机械手的技术参数列表 一、用途:

用于自动输送线的上下料。 二、设计技术参数: 1、抓重 1千克 2、自由度数 4个自由度 3、坐标型式 圆柱坐标 4、手臂运动参数 伸缩行程100mm 伸缩速度40mm/s 升降行程150mm 升降速度100mm/s

回转范围0??180? 回转速度90?/s

5、手腕运动参数

回转范围 0??180? 回转速度90?/s

6、手指夹持范围

13

棒料: ?10-?40 9、定位方式 行程开关 10、定位精度

?1mm

11、驱动方式 气压传动 12、控制方式

点位程序控制(采用PLC) 2.9 前法兰式气缸的简介

气缸是使机械装臵进行直线往复运动的气动执行元件。气缸的类型有很多种，根据使用的需要进行选择。前法兰式气缸的特点：它是用螺钉紧固，易于安装，它的缺点是螺钉所承受的轴向力较大！

14

第三章 手臂伸缩、回转气缸的尺寸设计与校核

3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核

根据实验设计要求，手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为?63/63.

(1).在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P?0.4MPa,

则驱动力：

2F?P??R

?0.4?106?3.14?0.03152 ?1246(N)

（2）. 测定手腕质量和重物的质量之和为7kg,设计加速度a?10(m/s)，则惯性力

F1?ma

=10×7=70

（3）.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,

Fm?k.F1

=70×0.2 =14

? 总受力F0?F1?Fm =70+14=84 F0?F

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求

15

（2）活塞杆的计算

1）按强度条件计算 当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d

式中 极限力

气缸的推力（N）；

活塞杆材料的许用应力(Pa),材料的抗拉强度（Pa）； 安全系数，S≥1.4。

按纵向弯曲极限力计算 气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到

以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方

式、活塞杆直径及行程有关。

当长细比

时

当长细比

时

式中

活塞杆计算长度（m） 活塞杆横截面回转半径，

实心杆 空心杆

活塞杆横截面惯性矩，

实心杆 空心杆

空心活塞杆内径直径（m）； 活塞杆截面积

16

实心杆

空心杆

系数，

材料弹性模量，对钢取材料强度实验值，对钢取系数，对钢取a=1/5000

3.1.2 平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装臵，装臵内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

3.2手腕回转气缸的尺寸设计与校核 3.2.1 尺寸设计

此部分选用单片叶片式摆动气马达需设计其叶片内直径与叶片轴直径计算公式如下：

T=（R2-r2）bpn/8

叶片宽度设计为b=9mm,气缸内径为D1=53mm, 轴径D2=13mm, ,叶片数n=1,P?0.4MPa,

则理论驱动力矩 ：T=（D12-D22）bpn/8

=12.276N.M

3.2.2 尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量m1=2kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r=53mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J?

2 =2×0.053×0.053/2

17

=0.03（kg.m2） M惯?J.??t =0.03×(180/1)=5.4 N.M

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2, M摩?k.M惯

=0.2×5.4=1.08 N.M 总驱动力矩

M驱?M惯?M摩 =5.4+1.08=6.48 N.M T>M

? 设计尺寸满足使用要求。

第四章 气动系统设计

4．1 气压传动系统工作原理图

图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

18

图4-1 机械手气压传动原理图

19

各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

第五章 机械手的PLC控制设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

5.1可编程序控器的简介

在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装臵构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装臵的重新设计和安装。

20

随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装臵就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装臵取代继电器控制装臵，并提出了十项招标指标，即

1. 编程方便，现场可修改程序；2. 维修方便，采用模块化结构； 3. 可靠性高于继电器控制装臵；4. 体积小于继电器控制装臵； 5. 数据可直接送入管理计算机；6. 成本可与继电器控制装臵竞争； 7. 输入可以是交流115V；

8. 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9. 在扩展时，原系统只要很小变更； 10. 用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

1969年，美国数字设备公司(DEC) 研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装臵以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装臵的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制,于1977年开始工业应用。

5.2 PLC的结构，种类和分类

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

21

图5-1

（一）中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

（二） 存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 PLC常用的存储器类型：

(1) RAM (Random Assess Memory)

这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。 (2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) 这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

22

（三） 电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

常见的PLC的类型挺多的，有三菱的FX系列、西门子的S7系列、台湾的丰炜等等。

plc的分类有： (一) 小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

(二) 中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，

通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 (三) 大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以

23

构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

5.3 FX2n系列三菱PLC特点：

1、集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。

对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。

2、高速运算

基本指令：0.08μs/指令 应用指令:1.52～数100μs/指令 3、安心、宽裕的存储器规格 内臵8000步RAM存贮器

安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。 4、丰富的软元件范围

辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点 数据寄存器；8000点

5、除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。

6、面向海外的产品适合各种安全规格 为大量实际应用而开发的特殊功能：

开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。

定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发

24

了温度模块。

对每一个FX2n主单元可配臵总计达8个特殊功能模块。 5.4 接近开关传感器

1 接近开关传感器的概念 在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。

当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。

2 接近传感器的选型和检测对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近传感器，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

（1）当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近传感器，该类型接近传感器对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

（2）当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近传感器。

（3）金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近传感器或超声波型接近传感器。

（4）对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近式传感器或霍尔式接近传感器。

25

3 接近开关传感器的原理图:

5.5 I/O接口简介

（1）I/O接口的概念 CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。

(2）接口的分类

I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和 外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：

1）I/O接口芯片

这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时／计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。

2）I/O接口控制卡

有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主

26

板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。

按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。

5.6 行程开关的介绍 5.6.1 行程开关的概念

行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关 。行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当物体接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。

5.6.2 行程开关的作用及原理

行程开关用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位臵，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位臵而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。

5.7电路的总体设计

5.7.1 回路的设计 整个系统的回路设计如下:

27

机械手右旋转

机械手上升

机械手手臂伸长 机械手下降 机械手手腕右旋 机械手加紧 机械手上升 机械手手腕左旋 机械手手臂收缩 机械手左旋 机械手下降 机械手手臂伸长 机械手手腕右旋 机械手下降 机械手松开 机械手手臂收缩

5.7.2 系统输入/输出分布表

输入 输出 X0 SQ1 右旋限位开关 Y0 YA1 右旋电磁阀 X1 SQ2 上升限位开关 Y1 YA2 左旋电磁阀 X2 SQ3 手臂伸长限位开关 Y2 YA3 手臂伸长电磁X3 SQ4 手腕右转限位开关 Y3 YA4 手臂收缩电磁X4 SQ5 下降限位开关 Y4 YA5 上升电磁阀 X5 SQ6 工件光电检测开关 Y5 YA6 下降电磁阀 X6 SQ7 手腕左转限位开关 Y6 YA7 手腕右转电磁X7 SQ8 手臂收缩限位开关 Y7 KA1 手腕左转电磁

28

X1X1X1X1X1X1X1X1X2X2X3SQ9 左转限位开关 SQ10 机械手光电限位开SB5 停止按钮 SB6 复位按钮 Y10 YA8 加紧电磁阀 Y11YA9 松开电磁阀 Y12 YA10 急停电磁阀 Y30 YA11 步进电机 SB7 步进电机手动启动 Y31 YA15 空气压缩机继YJ2 步进电机停止按钮 SB8 暂停按钮 SB8 急停按钮 YJ4 接近传感器 K1 K2 空气压缩机启动 系统启动 5.7．3机械手的程序设计

自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位臵，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测检测开关检测到工件被取走。然后传送带开始转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，当然只要机械手取走工件传送带就开始转动，这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。

对程序的要求如下：

(1)首先启动机械手时机械手自动复位处于初始位臵；

(2)在机械手工作前还要对其进行设备的检测即机械手空运行一次而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。

(3)机械手设有急停按钮（一般情况下是不被允许使用的）只有出现紧急情况时才允许按此按钮，按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系将被切断各汽

29

缸处于无动力状态。

5.7.4 步进电机的运行控制

由于传送带的速度要求不高且精度也不是太高所以本设计选择三相步进电机通电方式为三相双三拍，利用PLC中的M8014特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲然后经光电转换和功放电路驱动步进电机。

环形脉冲分配器选择YB013芯片此芯片为专用三相步进电机环形脉冲分配器此芯片工作稳定性能优良在实际生产中被广泛应用。

1.步数控制

当对射式光电检测开关检测到共建的位臵时此时停止向脉冲分配器中发送脉冲步进电机将停在此位臵不动。

2．手动控制步进电机

当按下手动启动步进电机按钮时M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲步进电机开始转动，当按下停止按钮时步进电机将停下。

3.此外在报警和暂停状态下步进电机也将停止转动。 综合上述情况步进电机控制程序如下： STL 507 OUT M20 LD M8013 ANI M574 ANI M4 AND M20 OUT Y31

30

各模块的程序设计 程序初始化

采用中间继电器M8002中间继电器对系统各部分复位，定义个种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停急停复位等标志；

LD M8002 ZRST Y000 Y267 ZRST M0 M1023 ZRST S0 S899

SET S0 系统处于初始状态

M0定义为系统初复位标志它由机械手的右限位开关X0，下限位开关收缩限位开关X7，手腕右转限位开关X3同时激活；

LD X0 AND X4 AND X7 AND X3

OUT M0 定义系统复位标志

M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活； LD X30 AND M0 OR M1

OUT M1 定义系统启动标志 M2为暂停标志由暂停按钮激活；

X4，31

LD X16 AND M1 OR M2 OUT M2

M4定义为急停标志由急停按钮X17激活M4被激活同时激活特殊功能继电 M574（禁止状态转换）安全阀将储气罐与机械手的联系切断； LD X17 OUT M4 LD M4 SET M574 LD M574

OUT Y12 定义急停标志

M5定义为系统复位标志由复位按钮激活，当按下复位按钮系统将按右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降,机械手右转，的顺序进行复位，当最后一个动作完成下限位开关有效时程序将RSTM5；

LD X13 RST M574 RST M4 SET M5 LD M5 MPS ANI X3O

32

OUT Y6 LD X3 SET Y3 AND X7

RST Y3 SET Y5 LD X4 RST Y5 SET YO LD X0

RST M5 系统复位 机械手自检程序

机械手按照给定的顺序（手抓加紧松开﹑手腕右转左转﹑手臂伸长收缩﹑机械手左转右转）空执行一次在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控若超过设定时间（定时器设定的时间都超过每个动作的时间）则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号；

STL S0 LD X30 SET S21 OUT Y10 MPS OUT Y10

33

MRD OUT T0 K40 MPP LD X26 SET S22 STL S22 MPS OUT Y11 MRD OUT T0 K40 MPP LD X31 SET S23 STL S23 MPS OUT Y6 MRD OUT T0 K40 MPP LD X3 SET S24 STL

34

S24 MPS OUT Y7 MRD OUT T0 K40 MPP LD X6 SET S25 STL S25 MPS OUT Y2 MRD OUT T0 K40 MPP SET S26 STL S26 MPS OUT Y3 MRD OUT T0 K40 MPP LD X7

35

SET S27 STL S27 MPS OUT Y1 MRD OUT T0 K40 MPP LD X10 SET S28 STL S28 MPS OUT Y0 MRD OUT T0 K40 MPP LD X0 SET S29 STL S29 MPS OUT Y4 MRD OUT K40

36

MPP LD X1 SET S30 STL S30 MPS OUT Y5 MRD OUT T0 K40 MPP SET S31 STL S31

OUT S2 自检程序结束 自动运行程序

此模式为机械手工作的主要模式,这部分采用具有保持功能的状态组件S500-S899,可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：

STL S2 LD M0 SET S500 STL S500 MPS OUT Y0 MPP LD X0

37

SET S501 STL S501 MPS OUT Y4 MPP LD X1 SET S502 STL S502 MPS OUT Y2 MPP LD X2 SET S503 STL S503 MPS OUT Y7 MPP LD X6 SET S504 STL S504 MPS OUT Y5

38

MPP LD X11 SET S505 STL S505 MPS SET Y10 MPP LD X26 SET S506 SET S507 STL S506 MPS OUT Y4 MPP LD X1 SET S508 STL S508 MPS OUT Y6 MPP LD X3 SET S508

39

STL S508 MPS OUT Y3 MPP LD X0 SET S510 STL S510 MPS OUT Y5 MPP LD X4 SET S511 STL S511 MPS OUY Y7 MPP LD X6 SET S512 STL S512 MPS OUT Y2 MPP LD X2

40

SET S513

STL S513 MPS OUT Y5 MPP LD X4 SET S514 STL S514 MPS OUT Y7 MRD RST Y10 MPP LD X6 SET S515 STL S515 MPS OUT Y6 MPP LD X3 SET S516 STL S516 MPS

41

OUT Y3 MPP LD X7 SET S517 STL S517 0UT S2

RET 自控程序结束

第六章 结 论

1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。

42

参考文献

[1]张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 [2]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 [3]金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ，2001, 2

[4]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封 1999, 5

[5]严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992 [6]机械设计师手册.北京:机械工业出版社，1986

[7]黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，1981 [8]成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社

[9]郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，1987

[10]吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1995 [11]徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社，1990, 5

43

参考文献

[1]张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 [2]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 [3]金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ，2001, 2

[4]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封 1999, 5

[5]严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992 [6]机械设计师手册.北京:机械工业出版社，1986

[7]黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，1981 [8]成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社

[9]郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，1987

[10]吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1995 [11]徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社，1990, 5

43

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ytcp.html