最新坐标式机械手的设计.docx
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最新坐标式机械手的设计
坐标式机械手的设计
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山东技师学院
第一章机械手的原理………………………………………………………………1
1.1机械手的概述……………………………………………………………1
第二章设计要求11
1．1控制要求11
1．2I/O编址并画出工作框图12
1．3编程并调试12
1．4I/O端子接线图12
第三章工艺过程13
第四章操作面板布置14
第五章输入/输出端子地址分配15
第六章程序规划及编制16
第七章单操作工作的程序17
将加载开关扳到“上/下”档，按下启动按钮，下降；按停止按钮，上升。
17
第八章自动操作程序17
第九章PLC外围端子接线图21
第十章总结22
参考文献23
第一章机械手的原理
1.1机械手概述
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，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生产设备。
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，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，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置。
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置，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、控制系统以及位置检测装置等所组成。
各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。
图1-1机械手的组成方框图
Fig.l-1PaneChartofCompositionofManipulator
（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部。
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置，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，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。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。
造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。
电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。
此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式.
2、手腕
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置.
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。
手臂可能实现的运动如下:
手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装
置，以保证手指按正确方向运动。
此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件
受力状态简单。
导向装置结构形式，常用的有:
单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
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。
机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，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
装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
滚滚轮轮式式布行走机构可分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置。
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置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。
常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。
（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置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制
系统，并与设定的位置进行比较，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置。
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械装置。
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，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。
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。
在规格性能范围内，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:
伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，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。
但对密封装置要求严格，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，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
它常被用于工作主机的上、下料。
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机械手，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置，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。
1.3机械手在生产中的作用
机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：
（1）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。
（2）在实现单机自动化方面：
a各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。
b注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现自动生产。
c冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。
1.4机械手的主要特点
（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。
（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。
（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。
5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。
1.5机械手的技术发展方向
国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。
目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。
为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。
为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：
一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件的滑落位移，来修正握力。
因此这种机械手具有以下几方面的性能：
（1）能准确的抓住方位变化的物体。
（2）能判断对象的重量。
（3）能自动避开障碍物。
（4）抓空或抓力不足时能检测出来。
这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。
现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。
然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。
1.6机械手坐标形式与自由度的选择
1.6.1机械手坐标形式选择
机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。
直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。
圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。
多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。
球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。
由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。
图1圆柱坐标机械手的机构运动简图
1.6.2机械手自由度选择
1.7机械手的规格参数
抓重：
300N自由度：
4个坐标形式：
圆柱坐标式
手臂运动参数：
伸缩行程（X）：
400mm
伸缩速度：
<250mm/s
升降行程（Z）：
400mm
升降速度：
<70mm/s
回转范围：
0°~210°
回转速度：
<90（°）/s
手腕运动参数：
回转范围：
0°~180°
回转速度：
<90（°）/s
位置检测：
用电位器反馈式
重复定位精度：
3mm
驱动方式：
液压驱动（中、低压系统）
控制方式：
可编程控制
第二章设计要求
图1坐标式机械手动作原理图
1．1控制要求
如图1所示，将物体从位置A搬至位置B
机械手整个搬运过程要求都能自动控制。
在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制（又称单周期控制），以便对设备进行调整和检修。
图2是机械手控制系统的逻辑流程图。
系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。
（1）动作顺序：
机械手从原点位置起始下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上限位→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升至上限位→左移至左限位（原点）为一个循环。
（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。
（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。
（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。
（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。
（6）要求循环120次后自动停止工作并警铃报警。
1．2I/O编址并画出工作框图
1．3编程并调试
1．4I/O端子接线图
第三章工艺过程
机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。
其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制。
例如当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。
同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。
机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。
当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降。
也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
机械手的动作过程分解图3所示。
从原点开始，按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。
夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。
右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。
若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电；机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。
左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。
至此，机械手经过8步动作完成了一个周期。
图3机械手动作过程分解图
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。
自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。
手动操作：
用按钮对机械手的每一步运动单独进行操作控制。
例如，当选择上下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。
当选择左右运动时，上下启动按钮，机械手右移；按下停止按钮，机械手左移。
当选择夹紧放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
步进操作：
每按一次启动按钮，机械手完成一次动作后自动停止。
单周期操作：
机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。
连续操作：
机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断的周期性循环。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
第四章操作面板布置
根据控制要求，需安排一些操作开关，并设计控制箱面板布置图如图4
图4操作面板布置图
图4中，接通单操作方式。
按加载选择开关的位置，用启动∕停止按钮选择加载操作，当加载选择开关打到左∕右位置时，按下启动按钮，机械手右行；若按下停止按钮，机械手左行。
上述操作可用于使机械手回到原点。
接通步进方式。
机械手在原点时，按下启动按钮，向前操作一步；每按启动按钮一次，操作一次。
接通单周期操作方式。
机械手在原点时，按下启动按钮，自动操作一个周期。
接通连续操作方式。
机械手在原点时，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮，机械手完成此周期后自动回到原点并不再动作。
第五章输入/输出端子地址分配
该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200CPU224，图5是S7-200CPU224输入/输出端子地址分配图。
该机械手控制系统共使用了14个输入点，6个输出点。
图5机械手的输入/输出接线图
第六章程序规划及编制
为了在程序中安排机械手控制系统单操作、步进操作、自动操作等功能程序，规划程序整体结构如图6所示
图6机械手控制系统整体程序图
若选择单操作工作方式，I0.7断开，接着执行单操作程序。
单操作程序可以独立于自动操作程序，可另行设计。
在单周期工作方式下，可执行自动操作程序。
在步进工作方式下，执行步进操作程序，按一下按钮执行一个动作，并按规定顺序进行。
在需要自动操作方式时，中间继电器M1.0接通。
步进工作方式，单操作工作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器
第七章单操作工作的程序
如图7是实现单操作工作的梯形图程序
图7机械手单操作梯形图
为避免发生误动作，插入了一些连锁电路。
例如，将加载开关扳到“左右”档时，按下启动按钮，机械手右行；按下停止按钮，机械手向左行。
这两个动作只有当机械手处在上限时才能执行。
将加载开关扳到“夹/松”档，按下启动按钮，执行夹紧动作；按下停止按钮，松开。
将加载开关扳到“上/下”档，按下启动按钮，下降；按停止按钮，上升。
第八章自动操作程序
如图8是机械手自动操作功能图，图9是与之对应的梯形图
图8自动操作顺序功能图
图9自动操作梯形图
PLC由STOP转为RUN时，初始脉冲SM0.1对状态进行初始复位。
当机械手在原点时，将状态继电器S0.0置1，这是第一步。
按下启动按钮后，置位状态继电器S0.1，同时将原工作状态继电器S0.0清零，输出继电器Q0.0得电，Q0.5复位，原点指示灯熄灭，执行下降动作。
当下降到底碰到下限位开关时，I0.1接通，将状态继电器S0.2置1，同时将状态继电器S0.1清零，输出继电器S0.0复位，Q0.2置1，于是机械手停止下降，执行夹紧动作；定时器T37开始计时，延时1.7s后，接通T37动合触点将状态继电器S0.3置1，同时将状态继电器S0.2清零，而输出继电器Q0.1得电，执行上升动作。
由于Q0.2已经被置1，夹紧动作继续执行。
当上升到上限位时，I0.2接通，将状态继电器S0.4置1，同时将继电器S0.3清零，Q0.1失电，不再上升，而Q0.3得电，执行右行动作。
当右行至右限位时，I0.3接通，Q0.3失电，机械手右行停止，若此时I0.5接通，则将状态继电器S0.5置1，同时将状态继电器S0.4清零，而Q0.0再次得电，执行下降动作。
当下降到底碰到下限位开关时，I0.1接通，将状态继电器S0.6置1，同时将状态继电器S0.5清零，输出继电器Q0.0复位，Q0.2置1，于是机械手停止下降，执行松开动作；定时器T38开始计时，延时1.5s后，接通T38动合触点状态继电器S0.7置1，同时将状态继电器S0.6清零，而输出继电器Q0.1再次得电，执行上升动作。
行至上限位置，I0.2接通，将状态继电器S1.0置1，同时将状态继电器S0.7清零，Q0.1失电，停止上升而Q0.4得电，执行左行动作。
到达左限位，I0.4接通，将状态继电器S0.1清零。
如果此工作状态为连续工作状态，M1.0置1，即将状态继电器S0.1置1，重复执行自动程序。
若为单周期操作方式，状态继电器S0.0置1，则机械手停在原点。
在运行中，如按停止按钮，机械手的动作执行完当前一个周期后，回到原点自动停止。
在运行中，PLC掉电，机械手动作停止。
重新启动时，先用手动操作将机械手移回原点，再按启动按钮，便可重新开始自动操作。
步进动作是指按下启动按钮动作1次。
步进动作功能图与图7相似，只是每步动作都需按1次启动按钮。
步进操作所用的输出继电器，定时器与其他操作所用的输出继电器，定时器相同
第九章PLC外围端子接线图
图10PLC外围端子接线图
第十章总结
本次设计的是坐标式机械手,它采用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。
相对而言此机械手的设计难度虽然不是非常了大.但它在当代工业中的作用可是非常大的,机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力都是无与伦比的,经过这次设计让我深深
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