時間：2022-05-02 11:37:02
序論：在您撰寫機(jī)械手設(shè)計論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
摘 要：工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面得到廣泛使用。文章根據(jù)國內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計出一種用于物料搬運，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。主要設(shè)計機(jī)械手臂部分和機(jī)械手抓手部分的機(jī)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；機(jī)械手臂；機(jī)械手抓手，結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 引 言
目前工業(yè)機(jī)械手面臨的問題主要還是成本的高昂和精度控制的不易達(dá)到要求。從工業(yè)機(jī)械手的具體應(yīng)用情況來看，生產(chǎn)過程的機(jī)械自動化已成為現(xiàn)代工業(yè)的主要問題。雖然現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的加工、裝配等各生產(chǎn)工序主要是間斷的，但自動化生產(chǎn)中裝卸、搬運等工序亟待實現(xiàn)機(jī)械化，工業(yè)機(jī)械手的出現(xiàn)便可滿足這一需求。無論國內(nèi)還是國外，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用前景廣闊，而對機(jī)械手使用性能的要求則越來越高，面對越來越多樣的產(chǎn)品需求，機(jī)械手結(jié)構(gòu)上在向著小巧型，靈活型的方向發(fā)展，因此機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性變的至關(guān)重要。
2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 機(jī)械手手臂部分原理
欲滿足機(jī)械手的搬運功能，即將貨物從某一水平高度提升至另一水平高度，可采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定搬運動作。本課題應(yīng)用平行四邊形機(jī)構(gòu)的運動特點，依靠電動推桿驅(qū)動平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)貨物高度上的變化。
平行四邊形機(jī)構(gòu)是一種平面連桿機(jī)構(gòu)，由于構(gòu)件聯(lián)接呈平行四邊形，因此也叫做平行四邊形機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于分析，構(gòu)件運動一致性好，廣泛應(yīng)用于各種實現(xiàn)平移搬運等功能的機(jī)構(gòu)。
2.2 機(jī)械手手臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)械手手臂在整個工作過程中起著至關(guān)重要的作用。本文所設(shè)計的機(jī)械手臂為平行四邊形機(jī)構(gòu)，由于機(jī)械手臂也是機(jī)械手負(fù)載的主要施加部位，故應(yīng)具有良好的強(qiáng)度與剛度，保證在機(jī)械手工作中不能發(fā)生彎曲或折斷的情況，同時搬運機(jī)構(gòu)若過于沉重則會影響搬運功能的實現(xiàn)。
工業(yè)鋁型材表面經(jīng)氧化處理后，外觀漂亮且耐臟，工作中沾染的油污易于清洗，可根據(jù)不同承重采用不同規(guī)格型材組裝，同時搭配鋁型材配件，無需焊接，安裝拆卸方便，輕便環(huán)保，整體機(jī)械性能較好，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造行業(yè)。
本文的搬運機(jī)構(gòu)選用密度小強(qiáng)度大并廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械手行業(yè)的工業(yè)鋁型材較為合適。機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)整體布局及各個部件，如圖1所示。
機(jī)構(gòu)中的工業(yè)鋁型材之間通過鉸接的方式聯(lián)接而成，支撐連桿梁1通過銷軸5與固定在底座板材上的連接件聯(lián)接，由角鋁3將支撐梁與聯(lián)接電動推桿4的橫梁聯(lián)接起來，而電動推桿4與底座板材則通過電動推桿連接座2固定于底座上。
2.3 機(jī)械手抓手部分原理
搬運機(jī)械手末端的機(jī)械手爪是機(jī)械手直接與貨物接觸的部分，機(jī)械手爪能夠直接完成對貨物的拾取和夾緊動作，它可以依據(jù)人手動作通過設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)功能，通常機(jī)械手爪被安裝在手臂的端部。機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)形式與人手有較大區(qū)別，它的結(jié)構(gòu)外形擁有機(jī)械式的特點，通過不同部件的聯(lián)接組合完成指定運動過程，依靠自身的運動而將物件抱住，故手爪即為主要的傳力構(gòu)件。
本課題所設(shè)計機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)應(yīng)為鉗爪式，鉗爪式手部結(jié)構(gòu)包括手指和傳力機(jī)構(gòu)。如圖2所示，機(jī)械手爪1在電動推桿的驅(qū)動下向右移動，當(dāng)左部碰到左側(cè)連桿機(jī)構(gòu)時帶動手爪2處，機(jī)械手爪的兩部分1、2完成張開手爪動作；當(dāng)右側(cè)手爪在電動推桿縮回時，手爪2在彈簧作用下回復(fù)原來位置實現(xiàn)對貨物的抓取動作。
2.4 機(jī)械手抓手部分結(jié)構(gòu)設(shè)計
對機(jī)械手爪設(shè)計過程中，應(yīng)考慮以下幾個方面：機(jī)械手爪部件至少要有一定負(fù)載承受力，在將貨物重量計入影響后，鑒于搬運動作中由于顫動所產(chǎn)生的影響也應(yīng)適當(dāng)增大設(shè)計強(qiáng)度，避免工件發(fā)生松動或脫落的情況。
為使機(jī)械手爪和被運輸貨物間保持較為穩(wěn)定的姿態(tài)，應(yīng)根據(jù)貨物的實際外形設(shè)計相應(yīng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)形狀。所設(shè)計機(jī)械手爪主要受到被夾持物的反作用力，必須達(dá)到設(shè)計所需強(qiáng)度和剛度防止手爪斷裂或彎曲變形的狀況發(fā)生，同時設(shè)計機(jī)械手結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單，縮小尺寸，盡量輕便以免影響運動過程。本文所設(shè)計機(jī)械手結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
其中，機(jī)械手抓取動作的通過以下動作實現(xiàn)：由電動推桿1伸長驅(qū)動一體式小抓手向右移動，同時與一體式小抓手通過螺栓連接的連接桿4被帶動向右移動，當(dāng)連接板5接觸到連桿6時，在連桿機(jī)構(gòu)作用下，連桿8將沿水平方向向左移動直至小抓手突出部分完全縮回連接板9內(nèi)，此時連接板右端面接觸貨物，電動推桿1縮回直至右側(cè)一體式小抓手3上的連接板與貨物接觸并實現(xiàn)夾緊，在回縮過程中，當(dāng)連接板5與連桿6不再接觸時，連桿8在彈簧7的作用下回復(fù)原位，兩個機(jī)械手爪的承重板通過支撐貨籃的缺口位置，完成對貨籃的抓取動作。
3 結(jié) 語
本文主要設(shè)計一種用于搬運貨物的機(jī)械手，在生產(chǎn)過程中的搬運貨物環(huán)節(jié)里替代工人，提高工作效率，節(jié)約更多的人力成本和物力成本。主要進(jìn)行機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對機(jī)械手臂和機(jī)械手抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整個機(jī)械手機(jī)構(gòu)較為簡單，維護(hù)方便。
摘 要：我國是全球最大的白色家電生產(chǎn)國和消費國，現(xiàn)在空調(diào)散熱翅片國內(nèi)幾家大型空調(diào)廠的翅片插管大多都還是工人手動完成。本文介紹的空調(diào)換熱器自動插翅機(jī)械手裝置就是將空調(diào)換熱器中的散熱片無損傷地插到已經(jīng)擺好的U型管中的機(jī)械設(shè)備。從而達(dá)到降低廢品率，提高勞動效率和自動化的目的。
關(guān)鍵詞：空調(diào)換熱器；自動插翅；機(jī)械手
0 引言
作為全球最大的白色家電生產(chǎn)國和消費國，現(xiàn)在國內(nèi)大型空調(diào)廠的空調(diào)散熱片翅片插管大多都還是人工插翅，效率較低。而在國際上，日本的日高集團(tuán)已經(jīng)成熟的掌握了空調(diào)散熱器的翅片插管問題。目前正在推廣，該設(shè)備從翅片沖壓到脹管等幾個步驟都實現(xiàn)了全自動，不需要人為干預(yù)，廢品率已經(jīng)達(dá)到了行業(yè)要求。但是價格比較昂貴。本文介紹的空調(diào)換熱器自動插翅機(jī)是一種由計算機(jī)控制的自動化翅片展開和翅片抓取并將翅片插到已擺好的U型管中的設(shè)備。
1 空調(diào)換熱器插翅機(jī)工作流程
如圖1，空調(diào)換熱器插翅機(jī)包括：接料部分、翻轉(zhuǎn)翅片、翅片展開、插片機(jī)械手和U型管循環(huán)5個部分，具有工作效率高，節(jié)省人力，廢品率低的特點。其工作流程如下：
接料設(shè)備將沖壓機(jī)沖出來的翅片接到接料設(shè)備上的接料針上，每20片一組進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)翅片運到接料設(shè)備的取片處時，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手開始工作，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手先用接料針插入翅片孔內(nèi)，然后夾取翅片，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使得翻孔面是朝上。翻轉(zhuǎn)過后，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手將翅片放在展開機(jī)構(gòu)上，然后展開機(jī)構(gòu)將按組等距離展開，每組距離為165mm。然后插片機(jī)械手開始工作，將展開機(jī)構(gòu)上的翅片全部插入到U型管中后，U型管循環(huán)設(shè)備將已插好的U型管運走，并將新U型管運到插片位置，整個設(shè)備就這樣不停地循環(huán)。
2 插翅機(jī)械手結(jié)構(gòu)
機(jī)械手固定在Z軸上，控制其沿Z軸運動，控制機(jī)械手沿Z軸運動用線性模組控制。因為直線模組單體運動速度快、重復(fù)定位精度高、本體質(zhì)量輕、占設(shè)備空間小、壽命長。因為我們設(shè)計的是20個翅片為一個單位，20個翅片落料的是時間為40s，所以分給機(jī)械手的時間為12s（一共要插2次，按一次6s，共12s），為了能跟上節(jié)拍，使用了兩組機(jī)械手。同時進(jìn)行工作，兩組機(jī)械手同時從兩側(cè)向中間插。Y軸方向也用模組驅(qū)動。因為跨距為3000mm，而現(xiàn)有的線性模組，一般行程大都小于1600mm，行程過長會導(dǎo)致模組變形和精度降低，承載量會大幅降低。所以這里Y方向，采用兩個線性模組。單個線性模組的行程為1400mm。X方向因為行程過大，一側(cè)用行程為2000mm的絲杠和導(dǎo)軌組合驅(qū)動，另一側(cè)用直線滑軌導(dǎo)向。
3 插翅機(jī)械手動作過程
插翅機(jī)械手有3個動作：夾爪左右加緊收縮，夾爪托住翅片上下運動和下壓板的下壓運動。下面我們就對這三個動作進(jìn)行詳細(xì)介紹：
3.1 夾爪左右加緊收縮
當(dāng)機(jī)械手運動到指定位置，機(jī)械手開始夾取放在展開機(jī)構(gòu)上的翅片，機(jī)械手沿著Z軸向下運動，當(dāng)機(jī)械手上的定位針和展開機(jī)構(gòu)上的定位針對齊并接觸時，機(jī)械手夾爪開始運動，夾爪向內(nèi)收縮，運動的距離為25mm，夾爪底部平托住翅片，一個機(jī)械手上一側(cè)有4個夾爪托住翅片，防止翅片有過大的撓度變形，一側(cè)機(jī)械夾爪托住的寬度，大約為一個翅片寬（翅片寬18.19mm）。
3.2 夾爪托住翅片上下運動
當(dāng)夾爪左右手縮加緊完成后，夾爪向上運動，將翅片向上抬起，目的是將翅片脫離展開機(jī)構(gòu)的接片針，接片針的長度大約為80mm左右，這就要求機(jī)械手夾爪要抬升100mm左右，機(jī)械手夾爪不能和翅片有過大的力作用，不能過分的加緊翅片，否則翅片會容易變形（翅片的厚底為0.1mm，易變形）。
3.3 下壓板的下壓運動
當(dāng)機(jī)械手取翅片時，下壓板不運動，當(dāng)機(jī)械手沿Y軸運動到U型管循處時，機(jī)械手整體沿Z軸下降，當(dāng)機(jī)械手定位針頂與U形管上的錐帽距離2mm時，機(jī)械手開始運動，夾爪拖著翅片向下運動，當(dāng)夾爪底端到達(dá)U形管口下方30mm處（當(dāng)一次插20片翅片，20片翅片的總厚度約為30mm）時，機(jī)械手夾爪開始向兩端展開，展開的距離為20mm，因為U形管的直徑與翅片孔的直徑相差很小（翅片孔的直徑為7.3±0.03mm，U形管直徑7±0.1mm），所以翅片依靠自身的重力不一定能完全下落，所以這時，下壓板開始下壓，使翅片完全插進(jìn)U形管中，同時還可以平整翅片。
4 插齒機(jī)械手驅(qū)動原理
4.1 夾爪伸縮運動原理
夾爪伸縮運動是通過連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的，氣缸（圖片中左上角）推動推塊（綠色）向前運動，推塊是在微型導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動，導(dǎo)軌寬為10mm，推塊上有4組推桿，推桿推動著4組夾爪進(jìn)行左右移動，從而實現(xiàn)了前后運動轉(zhuǎn)化為了左右運動。推桿在導(dǎo)軌上移動，同時推塊推動著連桿展開，連桿推動著夾爪在滑道里左右運動，實現(xiàn)了展開與合并運動。
4.2 夾爪上下運動原理
夾爪上下運動是通過連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的，氣缸（左下）先推動著推塊（紅色）在直線滾珠導(dǎo)軌上向前運動，同時推塊連接著連桿（上下），因為導(dǎo)軌底座被限制只能上下運動，所以，當(dāng)推塊帶著連桿（上下）向前運動時，連桿頂著導(dǎo)軌底座向上運動從而實現(xiàn)夾爪的上下運動。為了阻止上下運動的支架不前后運動，設(shè)計了擋板，在上下運動的支架兩端各安裝了一個滾輪，滾輪在擋板的阻擋下，只能上下運動，實現(xiàn)了支架的上下運動。
4.3 下壓板的下壓運動原理
氣缸（中間）伸縮帶動固定板上下運動，固定板帶動導(dǎo)柱進(jìn)行上下運動，導(dǎo)柱通過螺栓固定在固定板上，同時導(dǎo)柱固定在下壓板上，所以氣缸運動就傳動到下壓板上，從而實現(xiàn)下壓運動。下壓運動的行程即為定位針的長度。
5 結(jié)語
本文主要介紹了一種空調(diào)換熱器自動插片機(jī)中的插片機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于不需停機(jī)的情況下，實現(xiàn)換熱器的連續(xù)自動插片，減少了人力，提高勞動效率，對于大量依賴人力插翅的當(dāng)前空調(diào)生產(chǎn)線的改進(jìn)具有一定借鑒意義。
摘 要：光盤庫機(jī)械手驅(qū)動控制系統(tǒng)是光盤庫系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對光盤庫機(jī)械手驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)，控制系統(tǒng)使用STC12C5628AD系列單片機(jī)作為控制核心，采用L293及驅(qū)動電路實現(xiàn)對機(jī)械手電機(jī)的驅(qū)動控制。按照設(shè)計的控制程序流程，進(jìn)行了驅(qū)動控制實驗，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩(wěn)定性能夠滿足光盤庫機(jī)械手性能的要求，對提升國內(nèi)光盤庫的研究、應(yīng)用水平有一定的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：光盤庫，機(jī)械手，驅(qū)動控制系統(tǒng)，電機(jī)
引言
光盤庫是以光盤作為存儲載體的高可靠性的海量、安全機(jī)電一體化近線存儲設(shè)備，對海量光盤數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，其主要由機(jī)械手、光盤架和光驅(qū)（CD-ROM驅(qū)動器）三部分組成。光盤庫廣泛地運用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，作為數(shù)據(jù)存儲和備份的重要方式，它利用機(jī)械手從機(jī)柜中選出一張光盤送到驅(qū)動器進(jìn)行讀寫。光盤庫可通過光纖通道或 SCSI 端口與服務(wù)器相連，光盤驅(qū)動器則通過自身接口與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶要訪問光盤庫時，首先，由機(jī)械手將驅(qū)動器中的光盤取出并放置到光盤架上的指定位置，為光盤騰出位置，然后，再從光盤架中取出所需的光盤并送入驅(qū)動器中。
關(guān)于光盤庫，國外進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，技術(shù)相對領(lǐng)先，但由于技術(shù)保密等因素限制，相關(guān)研究文獻(xiàn)很少，國內(nèi)從事光盤庫產(chǎn)業(yè)的公司主要有廣州影達(dá)影像設(shè)備有限公司、上海美佳達(dá)計算機(jī)工程有限責(zé)任公司、福特瑞斯（北京）科技有限公司、北京鴻瑞智達(dá)科技有限公司等，但國內(nèi)光盤庫的起步較晚，他們中大多是外國公司的國內(nèi)，即銷售國外光盤庫產(chǎn)品，而真正從事光盤庫研發(fā)的公司很少[1]。
除了光盤驅(qū)動器以外，光盤自動換盤機(jī)構(gòu)即機(jī)械手要保證安全、高速、準(zhǔn)確地將光盤片從庫中取出并送入空閑的指定光盤驅(qū)動器中，是整個系統(tǒng)中關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，光盤庫數(shù)據(jù)的平均訪問時間比磁帶和磁盤高很多，磁盤的平均尋道時間在毫秒級，顯然光盤庫的機(jī)械手已經(jīng)成為光盤庫系統(tǒng)的性能瓶頸[2][3]。因此，對光盤庫機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)具有較重要的現(xiàn)實意義，本文設(shè)計的機(jī)械手將裝、卸盤片的功能設(shè)計在一起，在主控制電路設(shè)計上，將機(jī)械手控制、定位檢測部分和光盤驅(qū)動器中的光頭控制部分結(jié)合在一起，由一片單片機(jī)控制。
1 機(jī)械手驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計
要實現(xiàn)機(jī)械手所期望實現(xiàn)的功能，機(jī)械手的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約，它們之間的相互關(guān)系構(gòu)成機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制原理，如圖1所示。
控制系統(tǒng)使用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5628AD系列單片機(jī)作為控制核心，擴(kuò)展了必要的外圍電子元器件。主機(jī)通過TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)與上位機(jī)通信，并和從機(jī)保持交換數(shù)據(jù)。接口板模式下根據(jù)上位機(jī)傳來的指令設(shè)置輸出，把檢測到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)。
1.1 電機(jī)驅(qū)動控制。機(jī)械手各活動部件采用直流電機(jī)驅(qū)動，單片機(jī)發(fā)送的控制信號經(jīng)過功率放大，轉(zhuǎn)換后，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動與停止，各個電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。設(shè)計的光盤庫機(jī)械手共需4個直流電機(jī)，每個電機(jī)上均配有變速箱。一個控制上下移動的大電機(jī)額定電壓為9V，功率為2.4W;另三個小電機(jī)額定電壓也為9V，功率為1.1W，分別控制中間支點部分的旋轉(zhuǎn)、機(jī)械臂的伸縮和機(jī)械手抓放物體。
電機(jī)驅(qū)動控制電路如圖2所示，采用L293及驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動控制。L293將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機(jī)[4][5][6]。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，每1個電機(jī)需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1.2 位置檢測。初始位置檢測利用主機(jī)的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程開關(guān)，即達(dá)到指定位置后斷開;INT0和INT1中斷來進(jìn)行位置檢測;P1.1-P1.4引腳為電機(jī)驅(qū)動輸出，最后通過P1.0-P1.3口對電機(jī)電流進(jìn)行檢測，判斷是否堵轉(zhuǎn)。
本設(shè)計限位行程開關(guān)安放在機(jī)械手的四個運行方向上。限位行程開關(guān)在沒有觸碰時信號處于低電平狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手運行時，觸碰到限位行程開關(guān)，信號處于高電平狀態(tài)。單片機(jī)采集到限位行程開關(guān)的高電平信號，發(fā)出指令，使機(jī)械手停止運行，并進(jìn)行下一個動作。計數(shù)行程開關(guān)安裝在齒輪旁邊，計數(shù)行程開關(guān)在沒有觸碰時信號處于低電平狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動齒輪轉(zhuǎn)動，計數(shù)行程開關(guān)被觸碰處于高電平狀態(tài)，齒輪每次觸碰，單片機(jī)記下一個高電平信號，因此只需記錄下行程開關(guān)的觸發(fā)次數(shù)即可知道電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而可控制手臂在垂直方向的位置。
2 控制系統(tǒng)調(diào)試
光盤的入庫及出庫是光盤庫自動化管理的一個重要方面。光盤入庫和出庫不僅僅限于光盤的正確插入和抽取，還包括數(shù)據(jù)庫信息的同步更新，保證光盤庫和數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的一致，從而準(zhǔn)確地返回客戶端請求。光盤正確入庫和出庫減輕了人工操作的負(fù)擔(dān)，保證了系統(tǒng)正常運行，是光盤庫自動化管理的重要組成部分。通過按鍵或者上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，控制程序流程圖如圖3所示。
在某個Linux終端向機(jī)械手服務(wù)端循環(huán)發(fā)送取盤、放盤指令，使機(jī)械手滿負(fù)荷運行。經(jīng)測試，該系統(tǒng)平均無故障時間大于30萬次，換盤時間最長為7秒，具有運行速度快、工作穩(wěn)定等特點，如表1所示。
另外，將光盤插入光盤庫后，請求光盤的內(nèi)容，機(jī)械手能正確地定位到光盤，并將請求的文件拷貝到本地光盤正確出庫，再次請求光盤內(nèi)容，提示光盤不在光盤庫中。
3 結(jié)語
本文對光盤庫機(jī)械手驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用STC12C5628AD作為控制核心，采用L293及驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動控制。按照設(shè)計的控制程序流程進(jìn)行驅(qū)動控制實驗，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盤、放盤等功能，快速性和穩(wěn)定性能夠滿足光盤庫機(jī)械手性能的要求。本項目是對光盤庫系統(tǒng)實際開發(fā)工作的一次嘗試，對提升國內(nèi)光盤庫的研究、應(yīng)用水平有一定的現(xiàn)實意義。
（作者單位：蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 來稿日期：2015-06-17）
【摘 要】本文依據(jù)液壓機(jī)械手的組成和運作原理，以四自由度液壓機(jī)械手為例，設(shè)計了一款注塑機(jī)嵌件自動上料液壓機(jī)械手，并驗證其功能的可靠性。
【關(guān)鍵詞】四自由度；液壓控制；機(jī)械手；嵌件上料
0 引言
隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化的快速發(fā)展，機(jī)械手因其高效和靈活的特點被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。機(jī)械手是一種可以模仿人手和臂的某些動作功能，并按照設(shè)定的軌跡、要求和程序抓取、搬運工件或進(jìn)行操作工具的自動化裝置，尤其適用于較大規(guī)模、自動化流程生產(chǎn)和一些復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中；例如高溫、粉塵、放射性強(qiáng)、噪音較大的生產(chǎn)環(huán)境。機(jī)械手的應(yīng)用對于提高機(jī)械生產(chǎn)率，降低工人的勞動強(qiáng)度，保障一線工人的安全都具有重要的意義。目前機(jī)械手常用的三種驅(qū)動方式為：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動，其中液壓驅(qū)動以輸出轉(zhuǎn)矩大，動作靈敏，可實現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍較大的特點，多被用于運動速度較低并且扭矩要求較大的工作場合。
隨著注塑行業(yè)的發(fā)展，人們對于塑料制品的需求量越來越大，對于塑件的工藝和強(qiáng)度也提出了新要求。為了提高塑件的局部強(qiáng)度，嵌件在塑件加工中被廣泛使用。然而工廠在生產(chǎn)過程中手工安裝嵌件的居多，這中安裝方式效率低下，嚴(yán)重影響了注塑機(jī)的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自動上料機(jī)械手需求愈加強(qiáng)烈。
1 液壓機(jī)械手基本組成
本文設(shè)計了一款四自由度液壓機(jī)械手，通過液壓缸進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)手臂的升降運動、伸縮運動、旋轉(zhuǎn)運動，以及夾持部分的夾緊運動。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。
液壓機(jī)械手主要包括控制系統(tǒng)、傳動裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器裝置等。其中，機(jī)械手的核心部分是控制系統(tǒng)，它是用以控制整個系統(tǒng)具體的運動過程。液壓驅(qū)動是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行的傳動裝置。在機(jī)械手的組成中，最重要的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)也同樣是機(jī)械手內(nèi)部的主體部分，機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是其夾持部分，主要由拉簧、杠桿、手指、楔塊、杠桿支座、夾緊缸體等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖 2所示。
2 液壓機(jī)械手運作原理
2.1 機(jī)械手運作原理
液壓機(jī)械手可實現(xiàn)在兩臺立式注塑機(jī)之間交替進(jìn)行安裝嵌件的工作。機(jī)械手擁有四個自由度，分別為手臂的升降運動、手臂的旋轉(zhuǎn)運動、手臂的伸縮運動，以及夾持部分的夾緊運動。采用液壓驅(qū)動的控制方式，以圓柱坐標(biāo)作為坐標(biāo)形式，其動作原理如圖3所示。液壓機(jī)械手開始運行，首先手臂下降到嵌件上方預(yù)定位置A，張開機(jī)械手夾持裝置，機(jī)械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機(jī)械手臂上升到起始位置，并順時針旋轉(zhuǎn)90°到注塑機(jī)1上方位置，手臂開始向前伸出到注塑機(jī)上方預(yù)定位置B，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時針旋轉(zhuǎn)90°回到原點位置，注塑機(jī)1開始工作；其次手臂下降到嵌件上方預(yù)定位置A，張開機(jī)械手夾持裝置，機(jī)械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機(jī)械手臂上升到起始位置，并逆時針旋轉(zhuǎn)90°到注塑機(jī)2上方位置，手臂開始向前伸出到注塑機(jī)上方預(yù)定位置C，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時針旋轉(zhuǎn)90°回到原點位置，注塑機(jī)2開始工作，機(jī)械手第一個工作周期完成，待注塑機(jī)1完成運作，機(jī)械手開始下一周期的工作。
2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計
機(jī)械手搬運物體是依靠液壓系統(tǒng)實現(xiàn)的，液壓系統(tǒng)是機(jī)械手運動的主要驅(qū)動方式，是機(jī)械手運動過程的核心控制部分。主要用來完成機(jī)械手的夾緊/松開、上/下伸縮、前/后運動以及旋轉(zhuǎn)運動。機(jī)械手運動過程的液壓系統(tǒng)主要由油泵、執(zhí)行油缸、控制調(diào)節(jié)裝置、以及輔助裝置組成。此次設(shè)計中系統(tǒng)的主要參數(shù)如下表1、表2、表3所示。
2.3 液壓系統(tǒng)元件的選擇
（1）手部夾緊缸的分析計算
3 結(jié)論
本文簡要介紹了液壓機(jī)械收的組成及工作原理，設(shè)計完成一款由液壓驅(qū)動的、可實現(xiàn)兩臺注塑機(jī)嵌件上下料的四自由度機(jī)械手，并對液壓機(jī)械手的工作可靠性進(jìn)行了驗證。結(jié)合數(shù)據(jù)，液壓機(jī)械手簡單可靠，穩(wěn)定性較好，可實現(xiàn)較重嵌件的安裝工作。
[摘 要]搬運機(jī)械手根據(jù)坐標(biāo)可以分為很多種，例如：直角坐標(biāo)型和極坐標(biāo)型還有圓柱坐標(biāo)型以及多關(guān)節(jié)型等。搬運機(jī)械手是一個自動化的設(shè)備，對搬運焊接以及裝配等有著很大的作用，國內(nèi)外都在不斷研究搬運機(jī)械手，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營走向自動化。本文設(shè)計的搬運手主要是用于冰箱U殼的搬運。
[關(guān)鍵詞]搬運機(jī)械手 仿真設(shè)計 制作探討
引言
機(jī)械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些動作，根據(jù)固定工序進(jìn)行抓取和搬運物品的一種機(jī)械電子裝置?？梢詭椭藗冇行a(chǎn)，降低勞動強(qiáng)度。機(jī)械手在生產(chǎn)中運用越來越廣。
1、U殼搬運機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 滑座部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
U殼搬運手設(shè)備也是自動化設(shè)備，它的主要作用就是將冰箱U殼搬運到傳送帶上[1]。它的滑座部分支撐著設(shè)備的水平移動。衡器缸和z軸承載著設(shè)備的主要重量，但是它們之間的固定需要依靠滑座部件的中間部分，同時滑座中間部分的右側(cè)還可以控制水平交流伺服電機(jī)和行星齒輪減速器，減速器和齒條的連接需要借助齒輪來實現(xiàn)?；谒揭苿拥淖畲缶嚯x為1.5米，并且滾珠絲不易于加工，以及它在市場上的價格比較高，所以選擇齒輪齒條來減速。
1.2 z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
Z軸結(jié)構(gòu)是用于豎直移動。Z軸結(jié)構(gòu)的最左端是交流伺服電機(jī)，電機(jī)是維持設(shè)備的安全，因為它具有過載能力且?guī)в斜чl系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障時，抱閘系統(tǒng)就可以對電機(jī)進(jìn)行抱死[2]。與z軸相連的是片聯(lián)軸器，它是有金屬制作而成的，擁有減震和無需潤滑和維護(hù)等特點。Z軸系部件的左邊有2個角接觸球軸承，角接觸球軸承可以對豎直的載荷進(jìn)行抵消。Z軸結(jié)構(gòu)中間是絲杠螺母傳動裝置，特點就是損傷小和效率高。Z軸系部件的設(shè)計原理是一端固定一端移動，軸的移動方向是經(jīng)過嚴(yán)格控制的，它是由固定制成裝置完成的。軸的伸縮變化時隨著溫度變化的，游動軸控制著溫度。Z軸兩邊運用直線的導(dǎo)軌，幫助z軸做豎直運動。Z軸上有兩個行程開關(guān)和光電開關(guān)，它的主要功能就是確定對豎直方向限位和豎直零位。1.3開1.3合橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計
Z軸和手爪的連接需要依靠開合橫梁裝置，開合裝置依靠六組螺栓就可以實現(xiàn)和z軸的連接，并且它前后有依次有開合氣缸，氣缸上安裝了傳感器的端鎖，這樣氣缸的位置就是由傳感器進(jìn)行控制的，端鎖是固定氣缸，避免氣缸在停止運行時還會繼續(xù)運動。裝置的大臂和小臂在直線導(dǎo)軌上的水平運動需要氣缸的引領(lǐng)。
1.4 夾爪結(jié)構(gòu)設(shè)計
夾爪結(jié)構(gòu)包括大臂和小臂以及手爪擋板。大臂上端連接開合橫梁裝置，并且連接處需要加強(qiáng)加固處理，這樣就可以保證裝置安全性能。大臂下段與小臂相連，它們之間的連接需要連接軸來實現(xiàn)的，小臂的轉(zhuǎn)動是需要連接臂和連接軸之間相互配合才能完成的。小臂上端是擋板裝置，它的主要作用是當(dāng)小臂停止轉(zhuǎn)動，減少小臂和大臂阻尼撞擊，達(dá)到減緩振動的作用。內(nèi)支撐氣缸和直線軸帶動手爪擋板裝置是用來幫助小臂進(jìn)行夾持活動。開合氣缸帶動大、小臂對冰箱u殼進(jìn)行夾持；小臂上的氣缸保證u殼在夾持時，形狀是完好的，所以它們的夾持都是由外而內(nèi)進(jìn)行的。
2、搬運機(jī)械手的仿真設(shè)計
2.1 小臂結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計
為了滿足生產(chǎn)需要通常將小臂的旋轉(zhuǎn)過程時間控制在兩秒以內(nèi)，氣缸的啟動回路控制著進(jìn)出口節(jié)流回路，所以通過控制調(diào)節(jié)節(jié)流閥的橫截面積就能夠?qū)钊\動速度進(jìn)行控制，讓小臂在兩秒之內(nèi)完成九十度的旋轉(zhuǎn)，因為節(jié)流閥會影響活塞運動速度[3]。同時，小臂在旋轉(zhuǎn)過程中，氣缸力矩會大于或者等于重力矩，并且氣缸力臂是在逐漸變小，重力力矩又不斷變大，這就導(dǎo)致小臂的加速度數(shù)值越來越小。同時旋轉(zhuǎn)時間越長緩沖力越小，并且負(fù)載厚度和負(fù)載質(zhì)量也越大。在這里選取旋轉(zhuǎn)時間為1.2秒時，計算出負(fù)載厚度壓迫保持在0.66米 ，負(fù)載質(zhì)量要控制在50千克，這時候的緩沖力就是10429牛頓，所以，通常設(shè)置小臂運動時間在1.2秒和2秒之間，負(fù)載厚度（U殼厚度）保持在0.49米和0.66米之間，這就要求負(fù)載質(zhì)量（冰箱質(zhì)量）控制在0和50千克之間。這就可以分析出小臂的應(yīng)力是夠滿足生產(chǎn)需求。
對小臂結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計不僅表現(xiàn)在對沖擊力的校核，同時還要對小臂變形與強(qiáng)度進(jìn)行校核。小臂的強(qiáng)度校核主要是運用相應(yīng)的模型和ansys靜力分析理論來完成的。并運用相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算可以得出，小臂不易發(fā)生變形，無論使用環(huán)境有多惡劣，它都可以正常工作。
2.2 連接臂結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計
連接臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要ansys進(jìn)行分析，ansys分析程序包括：設(shè)計變量初始化，這就要求在進(jìn)行分析前處理器應(yīng)該根據(jù)設(shè)計變量的初始值進(jìn)行輸入；定義問題，前處理器的主要任務(wù)就制定出最優(yōu)化的有限元模型；執(zhí)行初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)力和應(yīng)變；力以及變形量就是來源于狀態(tài)結(jié)構(gòu)分析；獲得計算結(jié)果，它的主要工作就是收集和存儲目標(biāo)函數(shù)和約束條件值；進(jìn)行仿真設(shè)計分析，它的任務(wù)就是對相關(guān)文件以及變量和設(shè)計方法進(jìn)行分析；結(jié)果輸出，根據(jù)分析的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的變化圖表。根據(jù)相應(yīng)的理論和運用ansys 系統(tǒng)分析，可以得出在對小臂進(jìn)行設(shè)計時u，它的半徑是九毫米，厚度保持在十三毫米之間。
2.3 支撐架結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計
支撐架的仿真設(shè)計主要是通過對支撐架結(jié)構(gòu)的瞬間動力學(xué)進(jìn)行分析，得出它的振動幅度和的速度。在對支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計時，首先是通過運用軟件ansys對支撐架建立相應(yīng)的模型，并設(shè)計支撐架的參數(shù)。根據(jù)ansys軟件分析的數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)u殼材料是Q235時，它的彈性木梁是210000mpa，泊松比為0.3，密度是7850千克每立方米。這就可以對支撐架進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，并確定支撐架在不同沖擊力喜愛振動幅度的變化以及支撐架的其他特點。
3、u殼搬運機(jī)械手的控制軟件設(shè)計
3.1 機(jī)械手初始化
機(jī)械手初始化包括水平和豎直都?xì)w零，同時，所有的氣缸恢復(fù)初始化。電機(jī)歸零的方法可以通過對電機(jī)2坐標(biāo)軸安裝零位信號，并且在進(jìn)行歸零處理中選擇先高速后低速的方式進(jìn)行歸零處理，歸零處理一共要進(jìn)過三次不同方向的瑰麗處理，才能達(dá)到讓電機(jī)徹底的歸零[4]。在首次歸零處理時，就可以將正向高速歸零；接著啟動第二次歸零程序，讓反向的低速也歸零，使用puls設(shè)置脈沖量，sped決定著是否執(zhí)行操作；最后一次歸零處理時讓它向正向低速歸零，sped是啟動歸零處理程序，ini則是讓歸零處理程序停止，這時候電機(jī)就徹底的歸零 。同時，歸零過程中脈沖值是在觸摸屏中顯示的，數(shù)值通過脈沖傳送到寄存器中，寄存器就將數(shù)值顯示在觸摸屏中。它們之間相互配合才使得電機(jī)歸零順利完成。
3.2 觸摸屏控制
搬運機(jī)械手的觸摸屏控制是在氣缸復(fù)位和機(jī)械手自動循環(huán)完成之后進(jìn)行的，對觸摸屏控制主要包括u型伴型號輸入界面和主菜單界面以及手動運行和分布運行以及自動運行和堅實畫面和系統(tǒng)設(shè)置[5]。其中，手動運行包括對伺服電機(jī)手動運行和氣缸與吸盤手動運行，分布運行時針對自動循環(huán)單步運行，自動運行的主要包括：示教點參數(shù)設(shè)置1和示教點參數(shù)設(shè)置2以及自動運行調(diào)整界面，監(jiān)視畫面是對伺服電機(jī)坐標(biāo)以及氣缸與吸盤和系統(tǒng)故障報警實施監(jiān)控，系統(tǒng)設(shè)置是對司機(jī)電機(jī)速度以及觸摸屏系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
總結(jié)
U殼搬運機(jī)械手的設(shè)計運用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，并應(yīng)用了ansys等系統(tǒng)軟件來幫助u型搬運機(jī)械手的設(shè)計，對支撐架和連接臂以及小臂的仿真設(shè)計中分析它們相應(yīng)的參數(shù)。冰箱u型搬運機(jī)械手的仿真設(shè)計和制作，讓冰箱u殼的搬運實現(xiàn)自動化，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供便利。
[摘 要]文章從三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的角度入手，在plc可編程控制器支持下，對三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)運動特點進(jìn)行了簡要分析，然后重點對plc下三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計與實現(xiàn)要點展開研究，望能夠使三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的綜合性能更加完善與可靠。
[關(guān)鍵詞]機(jī)械手 三自由度 控制系統(tǒng) PLC 設(shè)計
在工業(yè)化生產(chǎn)中，機(jī)械手能夠?qū)θ说氖直鄄课粍幼鬟M(jìn)行模擬，操作人員可以通過預(yù)先設(shè)置機(jī)械手運行軌跡，動作程序等相關(guān)參數(shù)的方式，在實際工況中代替人手執(zhí)行工件搬運、抓取、以及操持等相關(guān)工作，具有機(jī)電一體化的特點，在現(xiàn)代機(jī)械一體化領(lǐng)域中有著非常重要的應(yīng)用價值。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，機(jī)械手的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，為了能夠滿足現(xiàn)實工況對機(jī)械手操作的要求，當(dāng)前已經(jīng)成功研發(fā)了基于三自由度的機(jī)械手，即3D機(jī)器人。此類機(jī)械手能夠支持對三個自由度方向（包括水平方向、垂直方向、以及旋轉(zhuǎn)方向在內(nèi)）的手臂操作，在機(jī)械化生產(chǎn)中具有操作靈活性好，應(yīng)用范圍廣，以及操作范圍大的特點。而通過引入plc的方式，能夠使三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的整體功能更為完善，以達(dá)到提高其綜合使用價值的目的。
1 三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運動特點
下圖（如圖1）為三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖，整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有圓柱坐標(biāo)型特點。結(jié)合圖1來看，控制系統(tǒng)內(nèi)，伸縮步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)對機(jī)械手手臂左右方向運動的控制，而升降步進(jìn)電機(jī)則能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械手手臂上下方向運動的控制。逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)運動則由底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其夾緊與松開用氣壓驅(qū)動，并由電磁閥控制。圖1中，SQ1、2、5、6分別為水平風(fēng)向以及垂直方向上的限位開關(guān)裝置，SQ3、4則為原點所對應(yīng)的光接近開關(guān)以及終點所對應(yīng)的光接近開關(guān)。在整個控制系統(tǒng)的運行中，操作人員可以通過預(yù)先設(shè)置操作程序的方式，實現(xiàn)對工件的搬運、抓取、以及操持等相關(guān)操作。
2 基于plc的硬件設(shè)計方法
從三自由度機(jī)械手實際應(yīng)用的角度上來說，為了滿足不同工況對系統(tǒng)運行所提出的要求，機(jī)械手需要同時支持自動工作以及手動工作兩種運行模式。同時，在自動控制模式中，需要根據(jù)操作需求，支持包括返回原點、單步驟、單周期、以及連續(xù)性四種工作方式。
在引入plc控制器的條件下，三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)優(yōu)先選擇具有晶體管輸出特點的plc控制器裝置（本文中選擇三菱FX2N系列plc控制器）。該型號plc控制器共對應(yīng)有10個信號輸出點以及14個信號輸入點，能夠滿足三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)對plc控制器中I/O點數(shù)的具體要求。且該型號plc控制器為晶體管輸出，輸出高速脈沖信號最高頻率為100kHz，能夠在系統(tǒng)運行過程當(dāng)中直接面向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供脈沖信號支持。
與之相對應(yīng)的輸入控制信號地址分配情況為：①復(fù)位信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.0；②步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.1；③步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.2；④電機(jī)轉(zhuǎn)動停止信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.3；⑤手臂伸出信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.4；⑥手臂收回信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.5；⑦手抓下放信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.6；⑧手抓提升信號對應(yīng)輸出地址分配為IO.7；⑨手抓開信號對應(yīng)輸出地址分配為I1.0；⑩手抓合信號對應(yīng)輸出地址分配為I1.1；？自動演示信號對應(yīng)輸出地址分配為I1.2。輸出控制信號地址分配情況為：①步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出信號對應(yīng)輸出地址分配為Q0.0；②步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向信號對應(yīng)輸出地址分配為Q0.1；③氣缸4#電磁閥控制信號對應(yīng)輸出地址分配為Q0.2；④氣缸5#電磁閥控制信號對應(yīng)輸出地址分配為Q0.3；⑤氣缸6#電磁閥控制信號對應(yīng)輸出地址分配為Q0.4。
同時，步進(jìn)電氣驅(qū)動器選用SH-20403型。整個機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線方案如下圖所示（如圖2）。
結(jié)合圖2來看，在三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的運行過程當(dāng)中，當(dāng)機(jī)械手在最上方（最右方），同時底盤旋轉(zhuǎn)至X3光接近開關(guān)，夾緊裝置處于松開狀態(tài)下時，整個控制系統(tǒng)處于自動控制模式下的原點控制狀態(tài)下。如圖2中，X10為系統(tǒng)手動控制按鈕，操作該按鈕，能夠?qū)20～X27的按鍵開關(guān)進(jìn)行手動控制。而X11～X15則分別為系統(tǒng)自動控制模式下返回原點狀態(tài)按鈕，單步驟狀態(tài)按鈕，單周期狀態(tài)按鈕，以及連續(xù)工作按鈕，通過按下X11～X15任意操作按鈕并啟動X0的方式，能夠執(zhí)行相應(yīng)的工作模式。
3 基于plc的軟件設(shè)計方法
在選擇以單步驟、單周期、或連續(xù)工作方式運行前，整個控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于原點狀態(tài)，若未滿足該條件，則需要選擇返回原點的工作方式。在這一過程當(dāng)中，相關(guān)操作指令的執(zhí)行流程應(yīng)當(dāng)為：第一步，做上行方向移動至X1上限位；第二步，做右側(cè)方向移動至X2右限位；第三步，做順時針旋轉(zhuǎn)移動至X3光接近開關(guān)裝置；第四步，松開夾緊裝置。
在 plc系統(tǒng)支持下，整個三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的自動工作方式順序功能可如下圖所示（見圖3）。結(jié)合圖3，在控制系統(tǒng)對相關(guān)操作進(jìn)行響應(yīng)的過程當(dāng)中，可通過對步進(jìn)電機(jī)所輸入脈沖頻率參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的方式，實現(xiàn)對三自由度機(jī)械手手臂運動速度的合理調(diào)整。而脈沖數(shù)則決定了機(jī)械手臂在沿下行方向以及做性方向運動的距離。而脈沖頻率參數(shù)以及脈沖數(shù)的設(shè)計可以在工業(yè)現(xiàn)場實際工況中進(jìn)行設(shè)定，具有重復(fù)操作的特點。
整個基于plc系統(tǒng)的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計過程當(dāng)中以基于plc技術(shù)的梯形圖順序編程為依據(jù)，脈沖個數(shù)基于MOV指令進(jìn)行設(shè)定，脈沖輸出則通過PLSY脈沖輸出指令的方式進(jìn)行設(shè)定。在指定脈沖輸出完成后，指令執(zhí)行完成標(biāo)志M8029置1。需要注意的一點是，由于基于PLSY的操作指令僅能夠使用一次，但控制系統(tǒng)中所配置的兩個步進(jìn)電機(jī)需要同時有脈沖輸出信號。因此，在軟件設(shè)計中，通過面向兩個步進(jìn)電機(jī)引入外部繼電器的方式解決該問題。軟件設(shè)計中，將Y0點輸出脈沖與繼電器動觸點結(jié)合，常開觸點則與電機(jī)驅(qū)動器脈沖信號輸出端連接，上/下脈沖控制以及左/右脈沖控制則與兩個外部繼電器的控制端進(jìn)行連接，根據(jù)這種方式，能夠通過操作上/下脈沖控制以及左/右脈沖控制的方式，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入的合理控制。
與此同時，從基于plc系統(tǒng)的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)復(fù)位操作角度上來說，軟件設(shè)計中可應(yīng)用特殊存儲器SM0.1位以及按鍵10.0的方式進(jìn)行控制。在plc控制器收次掃描的過程中，狀態(tài)取值為1，可直接用于機(jī)械手控制系統(tǒng)的上電復(fù)位操作。同時，操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場運行情況，對plc控制器所產(chǎn)生的PTO脈沖信號進(jìn)行合理設(shè)置，并經(jīng)過Q0.0輸出點輸出信號，實現(xiàn)復(fù)位指令。
4 結(jié)束語
PLC可編程控制器是一種專門用于工業(yè)領(lǐng)域的電子控制裝置，該電子控制裝置是基于數(shù)字運算操作的方式所實現(xiàn)的。在PLC控制器的實際運行中，具有包括功能強(qiáng)大，可靠性高，編程簡單，以及人機(jī)交互界面友好等多個方面的特點，在工業(yè)控制系統(tǒng)以及機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計中有著非常好的應(yīng)用價值。本次研究中，從PLC的角度入手，對三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行了分析，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電動式機(jī)械手與氣動式機(jī)械手優(yōu)點的融合，除了具有操作簡單，定位精確的優(yōu)勢以外，還有效節(jié)約了行程開關(guān)以及I/O端口，綜合優(yōu)勢非常確切。
摘 要：關(guān)節(jié)型機(jī)械手是一類具有與人手肘類似的“關(guān)節(jié)”，可以模擬人手操作的自動化裝置。它主要以電氣結(jié)合的方式驅(qū)動，再通過齒輪等進(jìn)行機(jī)械傳動。但因為機(jī)械摩擦較大，傳動部位（回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）仍有改進(jìn)的空間。結(jié)合開關(guān)磁阻電機(jī)的原理，該文探討了一種利用電磁驅(qū)動的新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這一設(shè)計有效地避免了齒輪傳動帶來的機(jī)械摩擦損耗。
關(guān)鍵詞：三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手 開關(guān)磁阻電機(jī)原理 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
機(jī)械手是一種智能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬人手的所有動作。在實際的工作過程中，機(jī)械手會按照預(yù)先設(shè)計的固定程序進(jìn)行對工件的工位轉(zhuǎn)移等。關(guān)節(jié)型機(jī)械手是機(jī)械手的一種類型，但它具有與人類手肘類似的“關(guān)節(jié)”，比一般的機(jī)械手結(jié)構(gòu)更精巧、操作更靈活，具有廣闊的研究與應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的機(jī)械手主要以電氣（即電動機(jī)和氣缸）結(jié)合的方式進(jìn)行驅(qū)動，應(yīng)用齒輪等機(jī)械裝置進(jìn)行傳動。但因為機(jī)械摩擦的緣故，傳動效率仍有較大的提升空間。該課題在對一種現(xiàn)有“三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手”[1]的研究基礎(chǔ)上，對回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部位進(jìn)行了更深入的調(diào)研，并提出通過電磁驅(qū)動減小機(jī)械摩擦的新型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計。
1 三自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手的基本情況
1. 1 整體設(shè)計
該關(guān)節(jié)型機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)，包含3個自由度，其中機(jī)械手在進(jìn)行工作時完成對工件的兩個方向的回轉(zhuǎn)和實現(xiàn)一個方向的轉(zhuǎn)移。機(jī)械手運用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實現(xiàn)所夾持工件的前后和左右的回轉(zhuǎn)運動，而運用移動關(guān)鍵來實現(xiàn)所夾持工件的上下的移動，從而實現(xiàn)整個機(jī)械手的運動工作。
機(jī)械手的整體設(shè)計如圖1，主要包括手部、腕部和臂部。
手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，根據(jù)設(shè)計要求，利用夾鉗式手部結(jié)構(gòu)。其中，夾鉗式機(jī)械手有兩個半圓形或者橢圓形的機(jī)械手指，手指由驅(qū)動電機(jī)通過連接傳動裝置實現(xiàn)其張合以及閉合，從而實現(xiàn)了機(jī)械手對所夾持工件的抓緊動作。這種方式的機(jī)械手抓具有很好的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)不同外形結(jié)構(gòu)工件的抓緊，所以適用性比較強(qiáng)。
機(jī)械手的主要組成部件為手腕部分，手腕在機(jī)械手傳動中起到傳動中介的作用，其連接機(jī)械手的手部以及機(jī)械手的臂部，實現(xiàn)機(jī)械手在臂部的所有動作的轉(zhuǎn)換，有效地實現(xiàn)了手部動作的完成。另外，機(jī)械手手腕還可以實現(xiàn)機(jī)械手工作范圍的擴(kuò)大化，使得機(jī)械手的工作范圍有效提高，并對機(jī)械手的靈活度有了明顯的提高。手腕的回轉(zhuǎn)動作運用回轉(zhuǎn)液壓氣缸來實現(xiàn)機(jī)械手在空間上270 °的回轉(zhuǎn)動作，液壓氣缸機(jī)構(gòu)簡單，操作方便，很適合機(jī)械手的運用，但是，機(jī)械手的手腕要求工作嚴(yán)格，不能出現(xiàn)振動等現(xiàn)象。
機(jī)械手的臂部主要是對機(jī)械手整體起到支撐的作用，機(jī)械手在進(jìn)行工作過程中所有的運動慣性以及自身和工件的所有重量都由臂部來承受，所以，機(jī)械手的臂部要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗疲勞性強(qiáng)等特點。同時，機(jī)械手的臂部還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手部分動作的實現(xiàn)，一般在機(jī)械手的臂部運動采用液壓或者氣壓缸實現(xiàn)。文中所設(shè)計的機(jī)械手臂部主要包括大臂和小臂。
1.2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
大臂和小臂的回轉(zhuǎn)運動由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)完成?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)由45BF005π型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過兩個嚙合的直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動，如圖2。當(dāng)電動機(jī)運行時，左側(cè)的齒輪軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，右側(cè)的嚙合齒輪也相應(yīng)轉(zhuǎn)動起來，再通過軸的帶動，與之相連的臂部也發(fā)生轉(zhuǎn)動。
2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的分析
這種傳動方式本身所需要的傳動扭矩比較小，并且傳動精度也比較低，所以在選擇驅(qū)動的方式時應(yīng)該考慮驅(qū)動源的誤差積累等問題，研究者采用的驅(qū)動源為步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過查詢資料《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》中的表格2-11，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)可以看出，此文選擇的電機(jī)型號為：45BF005π型，其中，這種步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)包括如下：步矩角為1.5°，其中電機(jī)的額定電壓為27 V，總體質(zhì)量為0.4 kg，該電機(jī)具有外形結(jié)構(gòu)比較緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)點。
通過精度驗證，機(jī)械手在傳動過程中，如果只依靠步進(jìn)電機(jī)的傳動精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要運用不同的傳動機(jī)構(gòu)以及變速機(jī)構(gòu)等進(jìn)一步實現(xiàn)傳動精度的提高。文章中所提及的機(jī)械手的傳動采用一級減速齒輪的傳動，其中主動輪的傳動齒數(shù)為20，從動齒輪的傳動齒數(shù)為70，經(jīng)過查詢資料可以得到，該齒輪傳動的傳動模數(shù)應(yīng)該選擇m=1，齒輪的寬度應(yīng)該設(shè)計為20 mm，在傳動過程中，由于齒輪傳動會有一定的振動，所以此文設(shè)計的齒輪的寬度為24 mm。
3 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的研究與設(shè)計
3.1 電磁驅(qū)動的可行性探討
通過查閱文獻(xiàn)，利用開關(guān)磁阻電機(jī)原理進(jìn)行電磁旋轉(zhuǎn)的理論已經(jīng)比較成熟。
開關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理基于“磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合”的原理。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置。當(dāng)向定子各項繞組中依次通入電流時，電機(jī)轉(zhuǎn)子將進(jìn)一步沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)將改變專向，但相電流同流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。
一類新型的磁旋轉(zhuǎn)地球儀[2]就是依據(jù)該原理設(shè)計而成的。
該地球儀沿赤道線每隔一段距離會貼上永磁片，通過FEMM軟件仿真，可見永磁片的磁場呈對稱周期排列，如圖3。具體的磁場分布可以通過對永磁體本身的磁感應(yīng)強(qiáng)度的檢測進(jìn)行分析確定，從而實現(xiàn)所設(shè)計的懸浮球體的旋轉(zhuǎn)動作。
綜上所述，利用開關(guān)磁阻電機(jī)原理，借鑒磁旋轉(zhuǎn)地球儀的設(shè)計，可以利用電磁驅(qū)動替代回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)本來的電機(jī)驅(qū)動和齒輪傳動。這樣的設(shè)計避免了齒輪傳動機(jī)械摩擦的損耗，也避免了電機(jī)精度不高的缺陷。
3.2 新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計
新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)利用貼永磁片的圓柱體和電磁線圈替電機(jī)和直尺圓柱齒輪。
圓柱體的設(shè)計尺寸參考原有的右側(cè)齒輪大小，R=35 mm，h=24 mm。
沿圓柱體圓周中線每隔一段距離貼上小鐵片，每個鐵片上貼有一圓形的永磁片。在圓柱體周圍安裝兩組電磁線圈。這兩個電磁線圈組成一個弧度，弧度的圓心與圓柱體的柱心盡量保持重合。其中一個線圈正對一個永磁片，另一個電磁線圈正對相鄰的另一個永磁片，如圖4。正常工作時，通過檢測永磁片位置，兩個線圈同時通電使電磁線圈同時產(chǎn)生相同的極性。通過對流入線圈的電流進(jìn)行控制，使得圓柱體實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)。若要使圓柱體停止旋轉(zhuǎn)，切斷線圈中的電流即可。
旋轉(zhuǎn)的圓柱體與原有的右側(cè)的軸相連，如圖5。當(dāng)線圈通電時，圓柱體帶動軸旋轉(zhuǎn)，與軸相連的臂部也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動。
4 結(jié)語
新型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)利用電磁驅(qū)動的原理，用帶永磁片的圓柱體替代本來的電機(jī)和直齒圓柱齒輪。這樣的設(shè)計避免了齒輪傳動機(jī)械摩擦的損耗，也避免了電機(jī)精度不高的缺陷，具有很高的研究價值。但是囿于研究者現(xiàn)階段的知識儲備與精力，該種設(shè)計仍存在許多待進(jìn)一步討論的問題。比如電磁驅(qū)動能否帶來足夠的驅(qū)動力、回轉(zhuǎn)的精度是否能有效地控制等。
摘 要：為組建單片機(jī)實踐教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計了一種4軸機(jī)械手。該機(jī)械手的水平移動由直流電機(jī)驅(qū)動，其它軸由舵機(jī)驅(qū)動，由一片STC單片機(jī)控制各軸運動，該單片機(jī)還能夠與PC機(jī)進(jìn)行Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。在PC端，通過運行組態(tài)畫面實現(xiàn)對機(jī)械手的實時監(jiān)控。通過機(jī)械手本體設(shè)計、單片機(jī)軟硬件設(shè)計、PC組態(tài)畫面設(shè)計及聯(lián)網(wǎng)調(diào)試，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。該設(shè)計方案對組建單片機(jī)工控網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)系統(tǒng)具有參考價值。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；STC單片機(jī)；Modbus；單片機(jī)控制
一、引言
本題目是我校2015大學(xué)生大創(chuàng)新項目“單片機(jī)機(jī)電控制及工控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”的一個組成部分，其設(shè)計內(nèi)容是：用STC單片機(jī)控制一臺4軸機(jī)械手的運動，且單片機(jī)的串口與PC電腦通過Modbus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，PC端則通過運行組態(tài)畫面對單片機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控，詳見圖1機(jī)械手實物圖。
在圖1中，機(jī)械手的水平移動由直流電機(jī)經(jīng)齒輪組減速驅(qū)動雙螺線螺桿，在直流電機(jī)軸的另一端安裝有光電碼盤，以檢測電機(jī)的角位移。螺桿的轉(zhuǎn)動帶動其上的滑塊作X軸水平運動。在滑塊上安裝有一臺三坐標(biāo)機(jī)械手，其底盤旋轉(zhuǎn)（A軸），手臂擺動（B軸），夾爪開合（C軸）分別由三只數(shù)字舵機(jī)S1501驅(qū)動。整個機(jī)械手由一片STC12C5A32S2單片機(jī)控制。該單片機(jī)的串口經(jīng)MAX485與PC進(jìn)行通信，以Modbus RTU協(xié)議實現(xiàn)主從聯(lián)網(wǎng)。
二、控制電路設(shè)計
4軸機(jī)械手的控制電路如圖2所示。
在圖2中，STC12的P1.3/CCP0引腳用于接收與直流電機(jī)同軸安裝的碼盤的光電脈沖信號，并把PCA0設(shè)置為對該引腳上升/下降雙邊沿觸發(fā)中斷的工作方式，每當(dāng)PCA0中斷發(fā)生，就根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)Υa盤脈沖數(shù)加1或減1操作，由此確定出滑塊（即X軸）的當(dāng)前位置。P1.4/PWM1引腳的作用是向直流電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出PWM脈沖，實現(xiàn)直流電機(jī)的PWM調(diào)速。該PWM脈沖是通過把STC12的PCA1通道設(shè)置為8位PWM輸出方式來實現(xiàn)的。此外，在X軸兩端的極限位置，各安裝有一個光電開關(guān)，其信號分別接入P3.2/1NT0和P3.3/1NT1引腳。兩引腳的下降沿脈沖輸入能夠觸發(fā)STC12的1NT0、1NT1中斷。P0.0、P0.1、P0.2引腳用于向機(jī)械手底盤舵機(jī)、手臂舵機(jī)和夾爪舵機(jī)發(fā)出控制信號。STC12的P3.0、P3.1引腳通過MAX485芯片實現(xiàn)TTL/RS485轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號再接到FT232模塊的A、B端，經(jīng)FT232模塊把RS485信號轉(zhuǎn)為PC電腦的USB信號。STC12的P3.7引腳用于MAX485的收/發(fā)控制。
三、PC組態(tài)監(jiān)控設(shè)計
PC端采用uscada組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計。在用uscada設(shè)計監(jiān)控畫面前，要配置串口設(shè)備（即從機(jī)）的參數(shù)和數(shù)據(jù)區(qū)，并進(jìn)行模擬量和狀態(tài)量管理。首先，應(yīng)把串口通信協(xié)議設(shè)置為Modbus RTU，設(shè)置從站地址，該地址應(yīng)與STC單片機(jī)自設(shè)的Modbus站址一致。然后再對串口設(shè)備數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行設(shè)置。uscada為從站設(shè)備配備了4種類型的數(shù)據(jù)區(qū)：Discrete Input，即DI，離散量輸入；Input Registers，即AI，輸入寄存器 ；Coil，即DO，線圈輸出；Holding Registers，即AO，保持寄存器。在uscada這4個區(qū)設(shè)置的變量應(yīng)與在單片機(jī)XRAM中DI、AI、DO、AO型變量區(qū)設(shè)置的變量相對應(yīng)，但名稱可以不同。主從機(jī)通信時，單片機(jī)的Modbus RTU函數(shù)將按照這種 對應(yīng)關(guān)系處理變量。設(shè)置好從站的數(shù)據(jù)區(qū)后，就可以 定義模擬量和狀態(tài)量，并進(jìn)行監(jiān)控畫面設(shè)計。圖4為4軸機(jī)械手組態(tài)監(jiān)控畫面圖。
在圖4的畫面中，分別對機(jī)械手的X、A、B、C軸設(shè)置了數(shù)字框圖元，用以顯示各軸坐標(biāo)值，各軸數(shù)字框圖元右側(cè)的閥門圖元用于設(shè)定該軸的坐標(biāo)值。機(jī)械手有手動/自動兩種工作方式，由圖中的檔位開關(guān)圖元進(jìn)行轉(zhuǎn)換。手動方式下，機(jī)械手按圖4中左側(cè)各軸坐標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行動作。自動方式下，機(jī)械手以手動方式的設(shè)定值為起點，以圖4中右側(cè)的設(shè)定值為終點，進(jìn)行自動往復(fù)循環(huán)動作。畫面中，滑塊起點和終點是DI型變量，手動/自動檔位開關(guān)是DO型變量，X軸當(dāng)前位置為AI型變量，其它為AO型變量。當(dāng)主機(jī)與從機(jī)通信后，畫面即顯示出各變量的當(dāng)前值。
uscada具有串口通道通信數(shù)據(jù)實時監(jiān)視功能，圖5為主從機(jī)通信數(shù)據(jù)實時監(jiān)視窗口圖。本系統(tǒng)的Modbus RTU從站函數(shù)能夠處理Modbus 01，02，03，04，05，06，15，16功能碼。
四、結(jié)語
本文所設(shè)計的4軸機(jī)械手，首先，具有一個由直流電機(jī)驅(qū)動的水平移動軸，與全部采用舵機(jī)驅(qū)動的機(jī)械手相比，增加了運動方式和控制方式的多樣性，并用到了STC增強(qiáng)型單片機(jī)的多種片內(nèi)資源，是更好的單片機(jī)教學(xué)與實踐模型。其次，本機(jī)械手能夠通過Modbus工控網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)，在PC端通過設(shè)計組態(tài)畫面實現(xiàn)對機(jī)械手的實時監(jiān)控，這就把單片機(jī)的學(xué)習(xí)與實踐提升到了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的層面。再次，由于利用了STC單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源，并通過上位機(jī)監(jiān)控實現(xiàn)人機(jī)交互，這就使得系統(tǒng)的控制電路簡單，且uscada為永久免費的組態(tài)軟件，所以使用本設(shè)計方案，能夠經(jīng)濟(jì)的組建具有工控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的單片機(jī)實踐教學(xué)系統(tǒng)。
作為針對一次和二次包裝技術(shù)解決方案的領(lǐng)先機(jī)械手技術(shù)供應(yīng)商，博世包裝技術(shù)最新設(shè)計的Delta機(jī)械手包裝設(shè)備，為食品廠家提供更多解決方案及提升性能。
最新的GD（齒輪驅(qū)動）系列Delta機(jī)械手采用開放式的框架和平臺，在提供了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化方案的同時，又可根據(jù)不同的應(yīng)用配置各種可選項。博世包裝技術(shù)提升了D3機(jī)械手的平臺，將負(fù)載增加至3公斤，從而確保更快的速度來提升拾取率。其快速的產(chǎn)品切換、操作和維護(hù)簡易的設(shè)計有助于生產(chǎn)商降低總擁有成本（TCO）以及減少投資回報期限（ROI）。
據(jù)博世包裝技術(shù)（瑞士）的銷售總監(jiān)Marc de Vries介紹：“隨D3平臺機(jī)械手的推出，我們?yōu)橐淮魏投伟b提供了更多樣化的解決方案。這種新的模塊化和可升級的設(shè)計提供了結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模塊的多種機(jī)械手方案。通過增加模塊化的設(shè)計，博世證明了其以客戶為核心的承諾，從而提高生產(chǎn)效率，降低總擁有成本（TCO），同時更快速地推向市場。另外，通過提高靈活性，新的平臺可幫助我們的客戶利用機(jī)械手自動化來形成競爭優(yōu)勢。”
廣泛的應(yīng)用范圍，增加多樣化
D3機(jī)械手平臺包含了多種特點用來提高生產(chǎn)效率以及幫助生產(chǎn)商滿足日益增長的產(chǎn)品多元化需求，例如：餅干、糖排、巧克力、糖果、烘焙食品以及立式機(jī)包裝的產(chǎn)品等。Marc de Vries說：“很多客戶在尋找能夠在同一臺設(shè)備上包裝多種產(chǎn)品的機(jī)械手設(shè)備。通過提升性能、增加有效負(fù)載和工作高度以及可選的用于產(chǎn)品轉(zhuǎn)向的第4軸或第5軸，我們顯著地擴(kuò)大了產(chǎn)品應(yīng)用范圍?！?
憑借行業(yè)領(lǐng)先的Gemini 4.0 Delta機(jī)械手控制器和軟件設(shè)計，新的產(chǎn)品可以通過線下模擬運行而不需要實物，從而減少了安裝和調(diào)試時間。更簡潔的平臺設(shè)計增加了產(chǎn)品切換速度和可操作性。
方便清潔，更有助于食品安全
D3平臺機(jī)械手的另外一個優(yōu)勢就是，它的衛(wèi)生性和開放式的框架設(shè)計，采用了更少的零部件和可視性更強(qiáng)的移動部件，這有助于制造商遵守日益嚴(yán)格的食品安全法規(guī)。電氣控制柜被放置在設(shè)備的頂部，使得操作人員在設(shè)備的正反面都可進(jìn)行操作，以減少清潔和維護(hù)時間。
模塊化設(shè)計，提高生產(chǎn)的靈活性
作為博世模塊化設(shè)計和一站式供應(yīng)理念的一部分，D3機(jī)械手可以輕松地與博世或者其他第三方的一次或二次包裝設(shè)備進(jìn)行整合。D3機(jī)械手的設(shè)計是為了增強(qiáng)中小型企業(yè)和跨國公司的生產(chǎn)靈活性。這個新的產(chǎn)品組合提供了更為靈活和可升級的機(jī)械手解決方案，從而使得客戶能夠更迅速地適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)的需求，同時達(dá)成未來的生產(chǎn)目標(biāo)。
值得一提的是，博世包裝新推出的Paloma D3進(jìn)料和頂裝式機(jī)械手將會被整合在Module++餅干包裝整線中。
摘 要：機(jī)械手在設(shè)計過程中，注重其自動化控制，能夠?qū)崿F(xiàn)一些較為復(fù)雜的工業(yè)操作。文章對氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計的研究，主要是基于PLC自動化控制下的抓取式機(jī)械手的設(shè)計分析，注重提升機(jī)械手的靈活性和智能性，以期更好地實現(xiàn)工業(yè)發(fā)展自動化。
關(guān)鍵詞：PLC控制；工業(yè)機(jī)械手；設(shè)計研究
前言
工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，很多工業(yè)操作靠人工是無法完成的，并且，一些操作具有較大的危害性，因此，要想實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)，保證工人施工安全，工業(yè)機(jī)械手得到了較為廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械手可以進(jìn)行一些高溫、有毒環(huán)境下的工業(yè)生產(chǎn)，極大程度上保證了工人安全，同時也在很大程度上減緩了工人的勞動強(qiáng)度。基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計，將注重相關(guān)程序的具體應(yīng)用，注重把握機(jī)械手設(shè)計的靈活性和自動性特征，通過一系列編程控制，更好地實現(xiàn)機(jī)械手的實際效用。PLC氣動抓取式機(jī)械手，具有較高的可靠性，并且編程簡單、功能強(qiáng)大，延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，更加廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。
1 氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手的構(gòu)成分析
基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計，需要具有較高的靈活性和自動化發(fā)展特征，能夠根據(jù)相應(yīng)的程序設(shè)計，滿足實際生產(chǎn)需要。因此，在進(jìn)行設(shè)計過程中，氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手應(yīng)包含以下幾部分：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是機(jī)械手完成生產(chǎn)目的的關(guān)鍵部分；氣動驅(qū)動系統(tǒng)：氣動驅(qū)動系統(tǒng)是指揮機(jī)械手完成工業(yè)生產(chǎn)的重要部分，利用氣體壓力進(jìn)行驅(qū)動，使機(jī)械手完成任務(wù)；控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，對機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行指令下達(dá)。一般來說，氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，主要以PLC自動化工業(yè)控制系統(tǒng)為主；相關(guān)檢測裝置：檢測裝置是進(jìn)行位置調(diào)節(jié)的裝置，通過檢測裝置可以更好地確定抓取目標(biāo)，為實現(xiàn)抓取目的提供依據(jù)。機(jī)械手的構(gòu)成，以PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行指令下達(dá)，之后由氣動驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械能傳輸，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行實際行動，并且根據(jù)位置檢測裝置，進(jìn)行目標(biāo)操作[1]。
2 基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計研究
2.1 設(shè)計要點
基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手在設(shè)計過程中，要注重機(jī)械手的抓取性能，在實際工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)快、準(zhǔn)、狠的工作效果。機(jī)械手設(shè)計過程中，手臂的運行方式有所不同，在進(jìn)行手臂設(shè)計時，需要考慮到生產(chǎn)的實際情況，使機(jī)械手設(shè)計能夠與生產(chǎn)實際狀況符合。關(guān)于PLC氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計，要把握以下幾點：第一，機(jī)械手臂設(shè)計時，坐標(biāo)可分為直角坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式等方式。第二，手臂的升降、收縮和回轉(zhuǎn)運動要保證靈活性，能夠較好地適應(yīng)生產(chǎn)和抓取情況。第三，手臂的上下升降、左右旋轉(zhuǎn)、上下擺動動作要具有較好的靈活性。第四，手臂要保證五個自由度，符合抓取需要。
2.2 設(shè)計方案
文章對基于PLC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計研究，將從手指、手腕、手臂、三個方面進(jìn)行。
手指設(shè)計分析：機(jī)械手在設(shè)計過程中，要具有較好的通用性能，能夠進(jìn)行有效的更換，以實現(xiàn)設(shè)計的效率性和多用性。手指在設(shè)計過程中，主要以氣動抓取方式為主。氣動機(jī)械手是用壓縮空氣為動力源的機(jī)械手。其特點是方便、輸出力小、氣動迅速。但是由于空氣的可壓縮性使其運送過程不穩(wěn)定，抓取力控制在三十公斤以下。手指設(shè)計時，要有足夠的握力并且手指間具有對應(yīng)的開閉角，能夠?qū)ぜM(jìn)行準(zhǔn)確定位。
手腕設(shè)計分析：手腕設(shè)計時，同樣要以生產(chǎn)實際需要為主，手腕要具有較好的靈活性，更好地滿足生產(chǎn)需要。設(shè)計時，若是抓取的物件是水平放置，則可以設(shè)置成為上下擺動的形式即可，若是抓取物件存在一定的復(fù)雜性，就需要將手腕設(shè)計成“球坐標(biāo)式”，能夠進(jìn)行有效地活動，從而完成抓取工作[2]。
手臂設(shè)計分析：機(jī)械手臂在設(shè)計過程中，要保證其具有較大的靈活性。手臂是進(jìn)行抓取工作的重要設(shè)計點，其速度關(guān)系到了機(jī)械手手指的抓取速度，文章對機(jī)械手臂的設(shè)計參數(shù)為最大移動速度為1.0m/s，回轉(zhuǎn)速度為90°/s，移動速度為0.8m/s。手臂設(shè)計要具有速度性，它是實現(xiàn)抓取效率的關(guān)鍵部位。
2.3 控制設(shè)計
控制設(shè)計是基于PLC的氣動抓取式機(jī)械手設(shè)計的難點，具有較大的復(fù)雜性，同時，控制設(shè)計也關(guān)系到了機(jī)械手能否發(fā)揮真正的作用。在控制設(shè)計過程中，需要考慮到機(jī)械手的通用性，并且采用點位控制方式，實現(xiàn)精確控制?？刂圃O(shè)計時，要注重PLC工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。關(guān)于利用PLC自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械手控制的問題，如圖1所示[3]。
PLC在實現(xiàn)這一目標(biāo)時，需要通過程序編制，并且對程序進(jìn)行執(zhí)行處理，才能實現(xiàn)。PLC應(yīng)用于氣動抓取式機(jī)械手設(shè)計時，主要涉及到了以下設(shè)備裝置：中央處理器、系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器、電源、編程器五大部分。這五個部分當(dāng)中，中央處理器是PLC系統(tǒng)的核心，對氣動抓取式機(jī)械手進(jìn)行控制，電源、線路是實現(xiàn)PLC系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)程序操作的關(guān)鍵。同時，編程器、系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器之間，需要通過I/O信號輸入，才能實現(xiàn)效果。
PLC控制作用發(fā)揮時，需要事先有PLC系統(tǒng)進(jìn)行命令，并且通過總機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將指令進(jìn)行傳達(dá)，實現(xiàn)信號輸送。關(guān)于PLC的氣動抓取式機(jī)械手的工作情況，主要如下：機(jī)械手位于初始位置，受到控制系統(tǒng)控制，執(zhí)行系統(tǒng)將推動機(jī)械手進(jìn)行運動。同時，機(jī)械手各個主要部位受到執(zhí)行系統(tǒng)控制，執(zhí)行系統(tǒng)通過完成主系統(tǒng)下達(dá)的任務(wù)，進(jìn)行機(jī)械手控制，完成機(jī)械手操作任務(wù)?；赑LC的氣動抓取式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計，將更加廣泛的應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線。國外很多國家已將其成功的應(yīng)用于成套的自動化生產(chǎn)設(shè)備中。機(jī)械手未來的發(fā)展，將朝著自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向邁進(jìn)，將更好的代替人從事高危險、高危害的工作環(huán)境，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的智能化和自動化。
3 結(jié)束語
綜上所述，文章主要分析了基于PLC的氣動抓取式機(jī)械手的設(shè)計原理、設(shè)計方案、控制設(shè)計三個部分內(nèi)容，并就氣動抓取式機(jī)械手的特點進(jìn)行了分析，實現(xiàn)了氣動抓取式機(jī)械手的設(shè)計。氣動抓取式機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)過程中起到了重要的輔助作用，在實際設(shè)計過程中，必須注重這一點，使機(jī)械手設(shè)計能夠更好地促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步，滿足我國現(xiàn)代工業(yè)更加自動化、智能化的發(fā)展需要。
【摘要】機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程以變動的多功能機(jī)器，在工業(yè)自動化生產(chǎn)中占據(jù)著重要位置。驅(qū)動方式可以液壓傳動，也可以氣壓傳動，也可以是電氣控制等方法。隨著傳感器技術(shù)、氣動技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等發(fā)展，基于計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)發(fā)展較快，其中氣動技術(shù)以經(jīng)濟(jì)、廉價、靈敏等優(yōu)點，而成為研究熱點之一。本文介紹的是氣動機(jī)械手模型基于專用計算機(jī)―PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計。
【關(guān)鍵詞】機(jī)械手；現(xiàn)狀；程序設(shè)計；算法分析
一、PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)現(xiàn)狀
隨著社會與科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)自動化設(shè)備越來越廣泛應(yīng)用，其中機(jī)械手的誕生就是基于生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，是現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個重要技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用減輕了勞動強(qiáng)度、可提高產(chǎn)品加工精度、減少危險性生產(chǎn)由人工操作環(huán)節(jié)，尤其是在一些危險性大的行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為實用，如化工生產(chǎn)有存在有毒物質(zhì)的；如核電廠等存在放射性物質(zhì)的地方；如煙花等易燃易暴的生產(chǎn)場合等生產(chǎn)環(huán)境非常適合使用機(jī)械手進(jìn)行生產(chǎn)。在機(jī)械行業(yè)中（鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配等）應(yīng)用也十分廣泛，如在柔性生產(chǎn)線中用氣動機(jī)械手來搬運上下料材；機(jī)械零件的裝配生產(chǎn)線中，利用機(jī)械手抓零件與另一零件裝配在一起；如啤酒生產(chǎn)中用機(jī)械手把蓋壓在瓶子上等等。以上種種應(yīng)用極大的減輕了勞動強(qiáng)度、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，適合現(xiàn)代化的生產(chǎn)趨勢，具有較強(qiáng)的生命力。機(jī)械手的驅(qū)動方式有氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機(jī)械傳動。廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有動作迅速、平穩(wěn)、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點，特別是對易于控制、易維護(hù)、無環(huán)境污染場合，因此氣動技術(shù)常作為機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的首選。氣動機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有無污染、抗干擾性強(qiáng)、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高等特點。在機(jī)械行業(yè)越來越多的自動化設(shè)備中采用了機(jī)械手，主要是液壓控制和氣壓控制兩種方式。其中氣動機(jī)械手以其取之不盡、用之不完的氣源，及較低的生產(chǎn)成本受用戶喜愛，各國對氣動機(jī)械手的研究越來越重視，現(xiàn)已發(fā)展成為滿足生產(chǎn)需要的一種重要的實用技術(shù)。
在工業(yè)自動化中液壓與氣壓均有較在應(yīng)用，而氣動技術(shù)被稱為工業(yè)自動化的“肌肉”，其應(yīng)用靈活，夾持工件的重量越來越重，在各種機(jī)械加工行業(yè)和制造行業(yè)中，尤其在有毒的環(huán)境下作業(yè)等其應(yīng)用程序越來越受重視，并得到相應(yīng)廣泛使用。隨著科技不斷日新月異發(fā)展，自動化控制技術(shù)也不斷更新，在微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展形勢下，氣動技術(shù)不斷技術(shù)創(chuàng)新，以工程實際應(yīng)用為目標(biāo)，不斷取得巨大的進(jìn)步。另外氣動技術(shù)作為一種相對來說比較廉價的自動化技術(shù)，由于其元器件的制造技術(shù)以及使用性能的不斷提高，并且生產(chǎn)成本和流通成本不斷的降低，氣動技術(shù)現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療業(yè)、生產(chǎn)以及輸送領(lǐng)域。例如南昌市第一附屬醫(yī)院中引入了氣動控制藥品傳輸線，從藥房配藥師輸出到住院部等各部門，每次提高了近5分鐘，大大減少人力勞動及工作人員數(shù)量。
我國在機(jī)械手的應(yīng)用方面，不是世界最發(fā)達(dá)國家，但已經(jīng)較為廣泛使用并取得了較成熟的技術(shù)?；赑rogrammable logic Controller為核心技術(shù)進(jìn)行控制的液壓機(jī)械手或氣動機(jī)械手在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用較多，非常適合PLC最基本功能，即邏輯控制。如用來上料下料、裝卸機(jī)械零件、搬動物品等重復(fù)性的工作過程。我們國家原來的繼電接觸器控制系統(tǒng)大多已改造為基于 PLC 為控制器的自動化裝置，通過最近20多年的應(yīng)用實踐表明，在機(jī)械制造及自動化領(lǐng)域具有強(qiáng)大生命力。研究的基于氣動技術(shù)的可編程控制器控制的機(jī)械手是現(xiàn)代機(jī)電一體化自動生產(chǎn)線中重要輔助裝置，可實現(xiàn)上下、左右、伸縮六個方向的三維空間運動，較適合經(jīng)常變更批量生產(chǎn)與柔性制造生產(chǎn)的現(xiàn)代加工方法。它能按預(yù)定程序和控制要求完成物品、材料、機(jī)械零件等進(jìn)行運送、上下料、搬運等作業(yè)，并可以在需要時修改程序?qū)崿F(xiàn)動作變更。
二、PLC 程序設(shè)計算法分析
算法是決解決問題的清析思路的描述，對于一種可行的解決方案均有算法。當(dāng)然對于不能解決的方案可能就沒有算法可言。在本課題中編程環(huán)節(jié)要求按照機(jī)械手的工作要求實現(xiàn)控制要求，我們通過假定其初始位置為原點，其條件為右邊、后退、松開狀態(tài)為原始條件，基于此條件下實現(xiàn)自動操作與手動操作。
（一）分治法
設(shè)計中利用了重要的分治法實現(xiàn)各功能模塊。依照氣動機(jī)械手的工作順序要求，劃分為各小功能模塊，如向左伸出與向右縮回、向下伸出與向上縮回、水平伸出與縮回等均可分為小的模塊，設(shè)計中稱為狀態(tài)。從初始狀態(tài)開始依次按要求將可畫出相關(guān)系統(tǒng)流程圖。各相關(guān)的狀態(tài)中動作利用步進(jìn)指令轉(zhuǎn)換為梯形圖程序，實現(xiàn)完整的控制功能。
（二）貪婪法
貪婪法的總體思路中把符合控制條件的所有情況均最大限度的列入考慮范疇，從中選取一個解決問題的辦法。課題設(shè)計中考慮符合設(shè)計要求的思路會有多種，如采用最基本的思維，即把每一步均作最基本的“起-保-?！碧幚恚⒕€圈內(nèi)加入限制條件，在最開始作最基本的起動控制程序以實現(xiàn)控制功能。另一種方法可以采用 SET、RST 指令來實現(xiàn)控制功能。還有方法就是后續(xù)設(shè)計中用的用流程圖把所有出現(xiàn)的動作當(dāng)成狀態(tài)，設(shè)計其流程圖并轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。
（三）遞推法
對于設(shè)計的程序圖中各狀態(tài)的實現(xiàn)方法，采用邏輯遞推法，依次基本邏輯關(guān)系遞推。如課題設(shè)計中關(guān)于機(jī)械手控制工作順序中的各狀態(tài)中執(zhí)行動作及各狀態(tài)間轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷利用這種遞推辦法，把氣動機(jī)械手的工作過程按順序設(shè)計其控制邏輯圖。在程序設(shè)計過程中存在各種邏輯限制關(guān)系，要依照控制要求反復(fù)推敲后加入程序以實現(xiàn)各種功能及相關(guān)條件限制。
摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)自動化產(chǎn)品的性能日益加強(qiáng)。在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。因此，迫切需要一種東西代替人在惡劣的環(huán)境中作業(yè)的要求呼之欲出，機(jī)械手由此而誕生。本文就機(jī)械手自動控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了分析研究，以供參考。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手 PLC 自動控制 系統(tǒng)設(shè)計
1、引言
隨著可編程序控制器（PLC）在工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制中的廣泛應(yīng)用，解決了在各種惡劣環(huán)境下工作的難題。機(jī)械手在工業(yè)自動化生產(chǎn)得到了很好的利用，它不僅靈活多樣，而且耐高溫、抗腐蝕，可以較強(qiáng)適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境完成人無法完成的操作，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。機(jī)械手是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，是工業(yè)機(jī)械系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的出現(xiàn)不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且加快的實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。
2、機(jī)械手與PLC的概念
2.1機(jī)械手
機(jī)械手主要由手部和運動機(jī)構(gòu)組成，可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化。主要由手部和運動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式。運動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。
2.2 PLC
PLC為可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用自動控制裝置。主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的特殊功能模塊用來完成特殊的任務(wù)?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計。PLC具有可靠性高、適應(yīng)面廣、控制性強(qiáng)、操作方便、抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、對環(huán)境要求低、與其他裝置配置連接方便等特點。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中占有極其重要的地位。
3、機(jī)械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 I/O地址分配
I/O地址分配見表3.1。
表3.1機(jī)械手控制PLC輸入/輸出（I/O）分配表
3.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計分析
由機(jī)械手的工作過程可知，這是一個典型的順序控制系統(tǒng)。為此，可從機(jī)械手的連續(xù)工作方式入手編寫程序。首先應(yīng)繪出連續(xù)工作時的功能表如圖3.2，然后直接列寫邏輯表達(dá)式，用觸點線圈指令編程，也可使用置位復(fù)位指令或順序控制繼電器指令來完成。為了將每一步的工作狀態(tài)顯示出來，動畫模擬軟件使用了內(nèi)部存儲器位 M5.1 、 M5.2 、 M5.3 、 M5.4 、 M5.5 、M5.6 、 M5.7 、 M4.0 、 M4.1 來分別表示①～⑧的運行狀態(tài)。編程過程中，需要注意特別處理的問題是①、⑤和③、⑦步的動作問題，雖然①、⑤步都是下降操作，但卻具有不同的意義，①步下降是空鉤下降，而⑤步下降則是夾著工件下降。③、⑦步的上升操作也是這樣。
圖3.2機(jī)械手動作功能表 圖3.3機(jī)械手控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖
單周期操作的程序?qū)崿F(xiàn)可在連續(xù)工作程序的基礎(chǔ)上通過經(jīng)驗修改實現(xiàn)。其要點是是設(shè)法阻止機(jī)械手在一個周期工作結(jié)束后自動進(jìn)入下一周期，一般在下降的啟動回路想辦法。
單步操作的實現(xiàn)與單周期工作的實現(xiàn)是相似的。即設(shè)法在每一步工作結(jié)束后，不是直接啟動下一步的工作，而是等待啟動按鈕的命令后再工作。
以上是在同一個順序控制程序中完成的連續(xù)工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路。實際上本文采用分段跳轉(zhuǎn)的辦法來完成這三種操作，這使得程序結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。這種方法編制的程序結(jié)構(gòu)清晰，但程序數(shù)量長于前一種方法。
4、系統(tǒng)調(diào)試
4.1控制系統(tǒng)的程序調(diào)試步驟
（1）對于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖，用以清楚的表明順序和條件。
（2）設(shè)計梯形圖，這是程序設(shè)計的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步，要設(shè)計好梯形圖，首先十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設(shè)計的經(jīng)驗。
（3）將程序輸入到PLC的用戶存儲器，并查找程序是否正確。
（4）對程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿意為止。
4.2調(diào)試過程中注意的事項
（1）數(shù)據(jù)線與計算機(jī)的接口必須要與軟件的端口保持一致，否則運行會產(chǎn)生通信錯誤問題。
（2）連接PLC上的輸出端口對應(yīng)的動作必須與程序中的輸入輸出點的定義動作保持一致。
（3）PLC上的輸入輸出點都必須接入電源，連接的外部模塊也必須接通電源與接地線
（4）由于條件有限，外部接線模塊中部分用開關(guān)代替按鈕，在執(zhí)行點動程序注意執(zhí)行完應(yīng)該將開關(guān)撥回到停止?fàn)顟B(tài)。對于限位開關(guān)也用普通開關(guān)代替，當(dāng)執(zhí)行完該步程序后，進(jìn)入下一個步，需要將限位開關(guān)撥回OFF狀態(tài)。
結(jié)束語
機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量中間繼電器、時間繼電器和硬件的接線，提高系統(tǒng)的可靠性。同時，使用PLC進(jìn)行控制可以方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。另外，在實際的生產(chǎn)中，可以設(shè)置遠(yuǎn)程控制，可以利用監(jiān)控軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，以提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運行狀態(tài)。也為維修、故障診斷提供多方面的可能性。
【摘 要】本文闡述了仿人機(jī)械手研發(fā)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題，并針對這些問題對仿人機(jī)械手進(jìn)行了三維建模以及運動學(xué)仿真，同時闡明了仿人機(jī)械手研究對社會生活的現(xiàn)實意義。
【關(guān)鍵詞】仿人機(jī)械手；三維建模；運動學(xué)仿真
0 引言
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和綜合能力的重要標(biāo)志，而服務(wù)機(jī)器人是未來社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，對于服務(wù)機(jī)器人的研究，尤其是仿人機(jī)器人的研究是具有巨大經(jīng)濟(jì)價值和歷史意義的，其原因有兩個：第一，世界老齡化進(jìn)程的加快，尤其是中國也正進(jìn)入老齡化社會，照顧老人問題即將成為一個嚴(yán)重的社會問題，而仿人機(jī)器人在解決這一社會問題中有著不容置疑的作用；第二，由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們需要越來越多的關(guān)心和照顧，如果采用專門的人力將嚴(yán)重增加社會的負(fù)擔(dān)。所以對于服務(wù)型機(jī)器人的研究，顯得格外重要。
目前有很多服務(wù)型機(jī)器人，但是沒有一個機(jī)器人可以像人一樣有一雙靈巧的手，完成只有人類才能實現(xiàn)的復(fù)雜動作，本課題就是針對這一問題從仿人機(jī)器人的機(jī)械手開始研究的。
1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與問題
從1960年由通用電氣公司設(shè)計制造的造型為兩只手指的爪狀物開始，為以后的各類機(jī)械手打下了基礎(chǔ)，到現(xiàn)在為止美國的宇航局（NASA）、哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)，日本的東京大學(xué)在機(jī)械手的研究上都取得了不小的突破。
我國機(jī)械手的研究比較晚但是也做了很多工作，國防科技大學(xué)[1]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[2]也研制出了多指靈巧手。尤其是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的“仿人型機(jī)器人靈巧手”，2006年5月亮相德國慕尼黑國際機(jī)器人及自動化展覽會，以其精美的外觀、可靠的軟硬件系統(tǒng)等贏得了眾多參觀者的贊賞，并率先進(jìn)入了國際市場。
由此可見，目前多數(shù)國家和企業(yè)高校都在對仿人機(jī)械手進(jìn)行研究與設(shè)計，不過現(xiàn)在還存在一系列問題，例如：價格昂貴，實時性不理想，設(shè)備笨重，并且大都停留在實驗階段，這些都制約其在實際當(dāng)中的應(yīng)用。
2 五指仿人機(jī)械手設(shè)計
本文設(shè)計的五指仿人機(jī)械手具有的優(yōu)勢有：采用欠驅(qū)動控制方式[3]，所以機(jī)械系統(tǒng)大大簡化，機(jī)械手大小基本與普通人手大小一致，便于安裝到各種服務(wù)機(jī)器人的移動平臺上；同時每個手指都靠手指末端拉力進(jìn)行運動，也就是說只需要一個拉力便可以實現(xiàn)機(jī)械手指的人類手指運動方式，結(jié)構(gòu)緊湊、便于控制、動作靈活；材料可以采用塑料纖維進(jìn)行加工實現(xiàn)，因此質(zhì)量輕、價格便宜，易于普及；可以采用嵌入式的控制方式進(jìn)行控制，處理速度快，響應(yīng)時間短。
本文通過Solidworks對五指仿人機(jī)械手進(jìn)行建模，其單指與整手建模圖形如下所示：
圖1 單指結(jié)構(gòu)與整手三維建模
本文通過ADAMS實現(xiàn)仿人機(jī)械手的運動學(xué)仿真，其仿真圖形如下所示：
圖2 約束添加以及手指運動效果圖
3 現(xiàn)實意義
對于仿人機(jī)械手的研發(fā)對社會有著重要意義：其一，對于服務(wù)機(jī)器人的研制，尤其仿人機(jī)器人的研究應(yīng)用，必將對機(jī)器人行業(yè)起到積極的促進(jìn)作用；其二，仿人機(jī)械手的研發(fā)隸屬于制造業(yè)，其研制成功與推廣，可以增加就業(yè)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值；其三，其技術(shù)的實現(xiàn)可以促進(jìn)制造業(yè)的信息化、自動化和產(chǎn)品的智能化，提升產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值，從而促進(jìn)制造業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展；其四，實現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人上機(jī)械手的靈活運動與控制，對于老年人以及殘障人士在心理上和身體上都非常有益處，為解決我國社會問題，創(chuàng)建和諧社會做出貢獻(xiàn)。
【摘 要】本文介紹了氣動機(jī)械手的基本功能，在此基礎(chǔ)上，主要對氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與改善。在 PLC 和氣動控制技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，使其功能更加完善，運行更加精準(zhǔn)、合理。它由 PLC 控制四個氣缸來實現(xiàn)機(jī)械手橫向和縱向的運動以及氣動夾持機(jī)構(gòu)的伸縮動作，利用氣動能源分別完成對生產(chǎn)中使用到的工件進(jìn)行抓取、放置等動作，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的特點。
【關(guān)鍵詞】氣動機(jī)械手；氣缸；優(yōu)化設(shè)計；PLC
0 引言
煉膠生產(chǎn)線一般包括上輔機(jī)（包括膠料、粉料和油料的稱量及投送系統(tǒng)）、膠料混煉設(shè)備（密煉機(jī)）和下輔機(jī)（膠片擠出、冷卻和稱量系統(tǒng)）三大部分。由于密煉機(jī)和下輔機(jī)之間的膠料需循環(huán)返回多次精煉的要求，而氣動機(jī)械手是傳遞機(jī)構(gòu)中的重要部分，通過夾持機(jī)構(gòu)將物料從某一位置和方位，按一定運動軌跡傳遞到另一位置和方位，且是以空氣為介質(zhì)，具有使用、維修方便、安全、可靠、成本低、壽命長等特點，采用氣動方式控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)被很多場合所采用[1]。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對象的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求。
1 氣動機(jī)械手的工作原理
圖1 氣動機(jī)械手的運動示意圖
圖2 氣動機(jī)械手工作流程圖
如圖1所示，此氣動機(jī)械手具有兩個弧線升降運動，一個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動的自由度，將煉膠機(jī)的出料搬運至左側(cè)或右側(cè)的煉膠機(jī)上。機(jī)械手的動作除了左右旋轉(zhuǎn)應(yīng)用電機(jī)控制之外，其余全部動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機(jī)械手在工作中能實現(xiàn)上升和下降、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、夾緊和放松的功能，是目前較為簡單的、應(yīng)用比較廣泛的一種氣動機(jī)械手。
在主臂立柱底座上安裝電機(jī)以便控制其回轉(zhuǎn)自由度。小臂a與主筆立柱之間用氣缸A控制連接，以便控制小臂a的弧線升降。在小臂a與小臂b之間采用氣缸B連接，以便控制小臂b的弧線升降，在小臂b和夾持機(jī)構(gòu)之間采用氣缸C連接以便當(dāng)小臂運動時夾持機(jī)構(gòu)在氣缸C的作用下能保持平穩(wěn)的運行和垂直度，氣缸C的充放氣特性以及運動軌跡根據(jù)氣缸B和A的充放氣特性來決定。夾持機(jī)構(gòu)的開合和夾緊由氣缸D控制。將氣動機(jī)械手的零點（原始狀態(tài)）定為開始工作位的回轉(zhuǎn)限位、升降限位、伸縮限位及放松狀態(tài)。氣動機(jī)械手為實現(xiàn)移料動作，需要完成如圖2所示的工作流程圖。
2 氣動機(jī)械手氣動回路的構(gòu)成及原理
氣動回路主要是由氣源、各種控制閥以及執(zhí)行氣缸等組成，下面介紹回路的關(guān)鍵部件-執(zhí)行氣缸。
執(zhí)行氣缸包括連接主臂立柱和小臂a的氣缸A，連接小臂a和小臂b的氣缸B，連接小臂b和夾持機(jī)構(gòu)的氣缸C，以及控制夾持機(jī)構(gòu)的氣缸D。由于不同的氣缸控制不同機(jī)械結(jié)構(gòu)，其輸出力也不同，所以四種氣缸的型號也不同。同時要求氣動機(jī)械手能夠在升降過程中任意位置實現(xiàn)精確定位，精度要求為 1mm以內(nèi)。由負(fù)載性質(zhì)及氣缸運動速度選定負(fù)載率β值，即可求出所需的氣缸理論輸出力P=F/β。
氣缸D所控制的夾持機(jī)構(gòu)和物料最大重量約為50kg，氣缸C所控制的最大重量約為55kg，氣缸B所控制的小臂b的最大重量約為70kg，氣缸A所控制的小臂a的最大重量約為80kg。
一般來說，氣缸可以保證起點和終點的定位精度，因此，對于夾持機(jī)構(gòu)Z軸方向的定位，應(yīng)用一般的氣缸就可以保證其定位精度和使用要求。而對于小臂a和小臂b的升降精度要求，則可以使用 SMC公司一種新型CEI型氣缸，在結(jié)構(gòu)上增加了位移傳感器件，使之與氣缸渾為一體，整體結(jié)構(gòu)緊湊合理，設(shè)計新穎，提高了氣缸位移監(jiān)測的性能，CEI型氣缸在杠桿的兩側(cè)刻有細(xì)紋磁柵，當(dāng)氣缸左右移動時，位移傳感部分將以雙向脈沖方波形式輸出能夠?qū)崿F(xiàn)中間任意位置的定位[4]，而且其定位精度可達(dá)到1mm以內(nèi)，因此，應(yīng)用上述氣缸可以滿足小臂a和小臂b的升降定位精度的要求和使用要求。根據(jù)以上原則和條件，詳細(xì)選型見下表1。
總體氣動系統(tǒng)原理圖如圖3所示。氣源首先經(jīng)過濾減壓閥處理，通過相應(yīng)的電磁換向閥后進(jìn)入各個氣動執(zhí)行元件。
圖3 氣動系統(tǒng)原理圖
1、2、3、4―2位5通雙電控電磁閥；5―氣源處理組件；6―氣罐
3 氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)配置
根據(jù)機(jī)械手運動仿真方案，機(jī)械手的循環(huán)動作依次為：上升正轉(zhuǎn)下降伸出夾緊上升反轉(zhuǎn)放松縮回反轉(zhuǎn)下降下一循環(huán)。為了根據(jù)實際工作環(huán)境確定機(jī)械手工作時磁性限位開關(guān)的位置并調(diào)試機(jī)械手，對機(jī)械手的每一動作設(shè)定一個手動控制按鈕。同時，為了保證氣動機(jī)械爪工作時，整個機(jī)械手只能執(zhí)行其一個動作，需要在程序上設(shè)計互鎖功能。氣動控制系統(tǒng)一般由控制器，電―氣控制元件、氣動執(zhí)行元件、穩(wěn)壓氣源、傳感器和接口電路組成[2]?？刂破饕话阒赣嬎銠C(jī)、單片機(jī)或可編程控制器等控制器件，氣動執(zhí)行元件常用的有氣缸、氣爪、控制閥等，傳感器一般指位置傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，接口電路指控制器與控制元件、控制器與傳感器之間的接口[3]。
氣動機(jī)械手有兩種控制方式：操作面板控制和個人計算機(jī)控制，兩種控制方式均以 PLC 為主要控制模塊，其中個人計算機(jī)控制要求 PLC 與上位機(jī)實現(xiàn)有效通訊，通過上位機(jī)程序的改變來實現(xiàn) PLC 程序的更新與運動參數(shù)的變化。為了實現(xiàn)氣動機(jī)械手操作面板控制和個人計算機(jī)控制兩種操作方式，擬采用PLC 為下位機(jī)，PC 機(jī)為上位機(jī)的控制模式，PLC 與 PC 機(jī)之間通過 RS232 協(xié)議實現(xiàn)通信，完成控制過程中的數(shù)據(jù)交換[5]?？删幊炭刂破鞯某绦蜻\行方式是循環(huán)掃描方式，而非順序方式，因此任何一個氣缸在條件滿足后即開始動作，在機(jī)械手運行中遇到突然停電時，可以關(guān)閉氣源，對工件進(jìn)行處理， 來電后重新初始化各項個元件與程序。
我們所要控制的系統(tǒng)中，有8個行程開關(guān)信號、一個按鈕開關(guān)信號、一個由定位系統(tǒng)動作結(jié)束發(fā)出的信號共10個輸入點，因此我們選用了西門子S7-200系列CPU224型號PLC，它有14路數(shù)字量輸入點和10路數(shù)字量輸出點，具有體積小、處理數(shù)據(jù)和通訊能力強(qiáng)、存儲器容量大等優(yōu)點。基本位布爾運算執(zhí)行時間為0.22μs，用戶存儲器容量SK字節(jié)[6]。而且它還具備6路30kHz單相高速計數(shù)器和2路20kHz高速脈沖輸出可以分別用來接收旋轉(zhuǎn)編碼器信號和直接控制步進(jìn)電機(jī)運行。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、通信模塊等，可以實現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能，在功能上完全滿足了控制系統(tǒng)的要求，并留有一定數(shù)量的FO通道作為照明電路和其它儲備用途。
4 結(jié)論
本文主要研究了氣動機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的原理并進(jìn)行了設(shè)計，采用氣動驅(qū)動作為機(jī)械手的驅(qū)動方式，通過分析設(shè)計執(zhí)行氣缸及其控制閥等模塊，以滿足相應(yīng)的動作要求，根據(jù)氣動機(jī)械手的功能要求繪制了機(jī)械手的控制系統(tǒng)流程圖，使機(jī)械手能實現(xiàn)多點連續(xù)的控制，同時分析氣缸C和氣缸B的充放氣特性，以便優(yōu)化兩者的先后動作，再結(jié)合S7-200可編程控制器，使氣動技術(shù)在順序動作的邏輯控制系統(tǒng)的優(yōu)點得到充分發(fā)揮。
