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机电一体化系统方案设计书
三自由度机械手的结构设计
摘要
本文简要介绍了机械手的概念，机械手的组成和分类，国内外的发展状况及发展前景。
本文对机械手进行总体方案设计，结合生产实际及理论确定了机械手的结构及动作过程，坐标型式和自由度数，并列出了机械手的技术参数。
设计出了机械手的驱动方案、控制方案，在进行控制方案的选取时进行了不同方案的优缺点的对比，最后确定了具体的控制方案。
在进行机械手控制器件的选取时，对控制器件选择进行了详细的分析，如对步进电机参数的具体选取。
最后介绍了利用可编程序控制器对机械手进行控制，同时叙述了可编程序控制器选取原则及工作过程，并绘制出了可编程序控制器外部接线图。
在用可编程序控制器控制时分为手动和自动两种工作方式，并绘制了自动工作方式的顺序功能图。
关键词机械手的概念，机械手控制器件，可编程序控制器（PLC）
ThREEDEGREESOFFREEDOMMANIPULATORDESIGN
ABSTRACT
Thispaperintroducestheconceptofrobot,robotthecompositionandclassificationofdomesticandinternationaldevelopmentsandprospects.
Inthispaper,anoverallrobotdesign,combinedwithproductionpracticeandtheorytodeterminethestructureofthemanipulatorandtheactionprocess,coordinatetypesanddegreesoffreedom,andliststhetechnicalparametersofthemanipulator.
Designedamanipulator-drivenprogram,controlprogram,controlprogramduringtheselectionofdifferentoptionswhencomparingtheadvantagesanddisadvantages,andfinallydeterminethespecificcontrolprogram.Manipulatorcontroldeviceduringtheselection,thecontroldeviceonadetailedanalysisofoptions,suchasthespecificselectionstepmotorparameters.Finally,theuseofprogrammablelogiccontrollertocontrolthemanipulator,takingaccountoftheprinciplesofPLCandprocessofselection,anddrawsouttheexternalwiringdiagramofPLC.ProgrammableLogicControllerinusewhentheworkisdividedintotwokindsofmanualandautomaticmode,andthemappingoftheautomaticworkorderfunctionmap.
KEYWORDSTheconceptofrobot,robotcontroldevices,programmablelogiccontroller
中文摘要................................................1
英文摘要................................................2
一、引言
1.1简要介绍机械手的概念...........................4
1.2机械手的组成和分类.............................5
1.2.1机械手的组成...............................5
1.2.2机械手的分类...............................5
1.3国内外发展状况.................................6
二、三轴自由度机械手的结构及动作过程....................7
2.1机械手的结构....................................7
2.2机械手的动作过程..............................8
2.3机械手的驱动方案设计..........................9
2.4机械手的控制方案设计..........................9
2.5机械手的座标型式与自由度......................10
2.6机械手的技术参数列表..........................11
三、控制器件选型.......................................11
3.1步进电机及其驱动器选择............................11
3.2直流电机及其驱动器选择........................12
3.3旋转编码器的选择..............................14
四、机械手的PLC控制设计...............................15
5.1可编程序控制器的选择..........................15
5.2可编程序控制器的工作过程......................16
总结..................................................19
致谢..................................................20
参考文献...............................................20
附录..................................................21
一、引言
随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。
由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。
本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。
主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。
随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。
机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。
机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。
1.1机械手概述
机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。
机械手实例
1.2机械手的组成和分类
1.2.1机械手的组成
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
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，如夹持型、托持型和吸附型等。
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。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
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。
1.2.2机械手的分类
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手一般分为三类：
第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工才做的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人
1.3国内外发展状况
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
它的结构是：
机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。
商名为Unimate（即万能自动）。
运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。
不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。
该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。
虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫M。
联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。
联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。
它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。
一般简况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手,附属于某一设备,其工作程序是固定的。
通用机械手也有发展,目前应用的都是开关式点位控制型,伺服型已试制出数台在调试中,连续轨迹控制型还没有。
控制方式—有触点固定程序控制占绝大多数,专用机械手多采用这种控制
二、三轴联动简易机械手的结构及动作过程
2.1机械手的结构
机械手结构如下图1所示，有气控机械手
（1）、XY轴丝杠组
（2）、转盘机构（3）、旋转基座（4）等组成。
其运动控制方式为：
三自由度机械手为圆柱坐标型。
图1为机械手结构示意图，
（1）气控机械手（有光电传感器确定起始0点）；
（2）机械手手臂的左右运动（左右方向）由步进电机驱动丝杠组件完成，上下运动（垂直方向）由升降步进电机控制；（3）逆时针和顺时针旋转运动可由回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转（其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成）；（4）旋转基座主要支撑以上3部分；（5）机械手的夹紧装置采用关节结构，气控机械手的张合由气压控制压驱动，并由电磁阀控制（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开）。
机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。
SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。
如图2.1所示。
2.2机械手的动作过程
其工作过程为：
当货物到达时，机械手系统开始动作步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后气
阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
图2.1
2.3机械手的驱动方案设计
驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。
2.4机械手的控制方案设计
目前，对机械手的控制可采用以下几种方式[1]：
1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被人们所淘汰；
2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；
3）ＰＬＣ控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。
自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。
2.5机械手的座标型式与自由度
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
（1）直角坐标型机械手。
（2）圆柱坐标型机械手。
（3）球坐标（极坐标）型机械手。
（4）多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。
下图是机械手搬运物品示意图。
图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度既：
手臂伸缩；手臂回转；手臂升降3个主要运动。
机械手工作示意图
2.6机械手的技术参数列表
一、用途：
搬运:
用于车间搬运
二、设计技术参数:
1、抓重:
60Kg（夹持式手部）
2、自由度数:
3个自由度
3、座标型式:
圆柱座标
4、最大工作半径:
1600mm
5、手臂最大中心高:
1248mm
6、手臂运动参数
伸缩行程：
1200mm
伸缩速度：
83mm/s
升降行程：
300mm
升降速度：
67mm/s
回转范围:
0~360°
三、控制器件选型
3.1步进电机及其驱动器的选择
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。
在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。
机械手纵轴（Y轴）和横轴（X轴）选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。
M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。
所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。
驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。
一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。
本驱动器最大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。
本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
步进电机
3.2直流电机及其驱动器的选择
定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
直流无刷电机结构图
按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。
根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
2．并励直流电机
3．复励直流电机
4．串励直流电机
可回旋360串励直流电机°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。
无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
3.3旋转编码器的选择
旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。
它分为单路输出和双路输出两种。
技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有）和供电电压等。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
编码器如以信号原理来分可分为增量脉冲编码器（SPC）和绝对脉冲编码器（AP）。
两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。
按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。
在可回旋360°的转盘机构上，可安装OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器。
欧姆龙omron增量型旋转式编码器
三、机械手的PLC控制设计
5.1可编程序控制器的选择
随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
PLC机型选择的基本原则是：
在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。
通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程工程中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程工程中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。
应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。
这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。
主控制系统可选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。
机械手的外部接线图如图2所示。
5.1可编程序控制器的工作过程
机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。
X10为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关X20～X27对应的手动操作。
X11～X15分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X0，该工作方式的动作就会自动执行。
步进电机只有在有脉冲信号（Y0）和方向信号（Y2或Y3）输入时才会转动，Y6，Y7选择将脉冲信号Y0送至哪个步进电机。
Y5控制送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。
Y10，Y11控制底盘直流电机的正反转。
在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。
如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：
向上运动至上限位x1→向右运动至右限位X2→顺时针转动至光接近开关X3→夹紧装置松开。
机械手自动工作方式的顺序功能图如图3所示。
机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在程序中设定，具有可重复操作性。
本系统采用的是PLC梯形图顺序编程的方法。
其中以PLSY脉冲输出指令输出
总结
毕业设计即将结束，在这一阶段的紧张学习中，使我的综合能力得到了很大的提高。
仿人机器人这一课题，涉及到了很多学课的知识，是一个典型的综合性课题。
在这一段的设计中，我几乎用上了大学四年所学的所有专业知识，同时，在阅读了大量的有关机器人方面的书籍之后，对该课题有了更进一步的认识。
回顾所做的工作，发现自己的付出是值得的。
在该设计中，融入了我的很多新的构想，也就是在原有的基础上有了创新，这是值得欣慰的。
当然，由于缺乏实践经验，该设计还有许多的不足之处，例如步态分析、驱动程序等，这些工作都有待进一步的完善。
从课题本身来讲，仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性．但是由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段．尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理
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