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摘 要
機械手是一種機械技術與電子技術相結合的高技術產品。采用機械手是提高產品質量與勞動生產率，實現(xiàn)生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條 件，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業(yè)生產中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內容是采用機械設計原理，進行三自由度搬運機械手的設計，熟悉三自由度機械手的運用場合和相關的設計步驟。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產效率。結合三自由度設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題．解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機械手使用方便，結構簡單。
關鍵詞：機械手，輸送工件，搬運，三自由度
ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom.
湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
目 錄
第1章 緒論 - 1 -
1.1 機械手的歷史與發(fā)展 - 1 -
1.1.1 工業(yè)機器人簡介 - 1 -
1.1.2 世界機器人的發(fā)展 - 1 -
1.2 機械手的組成 - 3 -
1.2.1 執(zhí)行機構 - 3 -
1.2.2 驅動機構 - 3 -
1.2.3 控制機構 - 4 -
1.3 機械手的分類 - 4 -
第2章 搬運機械手機構總體方案設計 - 7 -
2.1 基本設計思路 - 7 -
2.1.1 系統(tǒng)分析 - 7 -
2.1.2 總體設計框圖 - 7 -
2.2 搬運機械手結構設計 - 8 -
2.2.1 搬運機械手坐標形式的選擇 - 8 -
2.3 機械手材料的選擇 - 8 -
2.4 機械臂的運動方式 - 9 -
2.5 搬運機械手驅動與控制系統(tǒng)分析 - 9 -
2.5.1 驅動方式的選擇 - 9 -
2.5.2 控制系統(tǒng)的選擇 - 10 -
第3章 搬運機械手機械結構設計與計算 - 11 -
3.1 搬運機械手手爪設計 - 11 -
3.2 搬運機械手手臂設計 - 11 -
3.2.1 伸縮機械臂的設計 - 11 -
3.2.2 升降機械臂的設計 - 12 -
3.2.3 手臂回轉運動 - 14 -
3.2.4 臂垂直升降運動驅動力的計算 - 14 -
3.2.5 臂部回轉運動驅動力矩的計算 - 15 -
3.3 手部設計計算 - 15 -
3.4 腕部設計計算 - 19 -
3.5 液壓驅動系統(tǒng)設計 - 21 -
第4章 搬運機械手控制系統(tǒng)的設計 - 25 -
4.1 PLC簡介 - 25 -
4.2 PLC工作原理 - 25 -
4.3 PLC機型的選擇 - 25 -
- - 1 - -
4.3.1 PLC機型的選擇 - 25 -
4.3.2 所選PLC的參數(shù) - 26 -
4.4 PLC控制面板的擬定 - 27 -
4.5 機械手工藝過程和控制方案的確定 - 29 -
4.5.1 明確工藝要求 - 29 -
4.5.2 確定工藝流程 - 29 -
4.5.3 傳感器選擇 - 31 -
4.5.4 確定I/O點數(shù) - 31 -
4.6 PLC程序編寫 - 31 -
4.6.1 總體程序設計思路 - 31 -
4.6.2 手動程序的編寫 - 33 -
4.6.3 復位程序的編寫 - 34 -
4.6.4 自動控制程序的編寫 - 36 -
結論與展望 - 39 -
參 考 文 獻 - 41 -
致 謝 - 43 -
- 1 -
第1章 緒論
1.1 機械手的歷史與發(fā)展
1.1.1 工業(yè)機器人簡介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中所說的泥土巨人等等，這些優(yōu)美的神話時刻激勵著人們一定要把優(yōu)美的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械木偶人。
到了近代 ，機器人這一詞語的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農業(yè)、林、牧、漁，甚至進入平常的百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、可重復編程、自動控制、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種模擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、適應各種惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程的產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。
所以就有了就有了很多國家地區(qū)制造出來工業(yè)機器人，而如今我設計的題目就是機器人的一個簡單部位-------機械手！
1.1.2 世界機器人的發(fā)展
國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
（1） 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單個工業(yè)機器人價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
（2） 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位的一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
（3） 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，這就便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，而且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的易操作性，可維修性和可靠性。
（4） 機器人中的傳感器作用日益重要，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
（5） 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
（6） 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名的實例。
(7) 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。
1.1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展
有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。然而這是一種錯誤的想法。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的海洋開發(fā)、宇宙開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出裝配、噴漆、點焊、弧焊、搬運等機器人；其中有150多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線或生產站上獲得了規(guī)模的應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、成本比較高、供貨周期長，而且可靠性、質量不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進工業(yè)機器人產業(yè)化的進程。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果在世界上處于領先水平，還開發(fā)出雙臂協(xié)調控制機器人、直接遙控機器人、管道機器人、爬壁機器人等幾種機器人；在機器人視覺、觸覺、力覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上耗費了不少時間與工作量，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則才剛剛起步，與國外先進水平相比差距較大，需要在原有成績的基礎上，作出比較突出的改變，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以其在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.2 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1. 手部(或稱抓取機構)：包括手爪、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(或稱臂部)：包括手臂、手腕等，主要起到改變物件方向和位置的作用。
3. 驅動部分：它是前兩部分的動力，因此也稱為動力源，常用的有氣壓、液壓、電機和電力四種驅動形式。
4. 控制部分：它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，是機械手的核心部位，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。
5. 其它部分：如機體、行走機構、液壓裝置、步進機、傳感裝置和行程檢測裝置等。
1.2.1 執(zhí)行機構
一般機械手的執(zhí)行機構由手部或者叫抓取部分、臂部、腕部、緩沖與定位，還有行走機構組成。
1.2.2 驅動機構
驅動機構主要有氣動驅動、液壓驅動、機械驅動和電動驅動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的居多，尤其是液壓作為控制源的。
液壓驅動具有出力大、體積小、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、油缸與齒條、馬達與減速器、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結構緊湊，剛度韌性好。定位精度高，可以實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機械手能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
氣動驅動結構簡單、造價低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，想要實現(xiàn)中間位置的停止是很難的，所以只能用于點位的控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)會容易生銹。
電動由于減速和回轉運動變往復運動機構復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.2.3 控制機構
機械手的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.3 機械手的分類
機械手從使用范圍、驅動方式、運動坐標形式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
(1) 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。
(2) 通用機械手 指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。
2. 按驅動方式分類：
(1) 液壓驅動機械手 以壓力油進行驅動；
(2) 氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動；
(3) 電力驅動機械手 直接用電動機進行驅動；
(4) 機械驅動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動方式。
3. 按運動坐標型式分類：
(1) 直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；
(2) 圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動；
(3) 球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)；
(4) 多關節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。
4. 按機械手的臂力大小分類：
(1) 微型機械手 臂力小于1㎏；
(2) 小型機械手 臂力為1－10㎏；
(3) 中型機械手 臂力為10－30㎏；
(4) 大型機械手 臂力大于30㎏。
我所設計的搬運機械手，是以搬運物料為目的的圓柱坐標式三自由度機械手。它采用液壓驅動方式，屬于小型機械手。
*注:
另外本設計機械手要求：
立柱回轉轉角±180°
大臂臂長350mm
轉角±115°
小臂臂長250mm
轉角±115°
第2章 搬運機械手機構總體方案設計
2.1 基本設計思路
2.1.1 系統(tǒng)分析
機械手是實現(xiàn)生產過程自動化、提高勞動生產率的一種有力工具。要在一個生產過程中實現(xiàn)自動化，需要對各種機械化、自動化裝置進行綜合的技術和經(jīng)濟分析，從而判斷機械手是否合適。所以要完成機械手的設計，一般要先做如下工作：
(1) 根據(jù)機械手的使用場合，明確機械手的目的和任務。
(2) 分析機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。
(3) 認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機械手的基本功能和方案，比如機械手的自由度數(shù)目、定位精度、動作速度、抓取重量等。進一步搬運物體的質量、根據(jù)抓取、尺寸、形狀及生產批量等情況，來確定機械手爪的形式及抓取工件的部位和握力的大小。
對此，我進行以下的分析：
(1) 本設計課題為三自由度搬運機械手之機構設計，是通過機械手來抓持物體通過伸縮運動來進行搬運的機械手。而機械手的使用場合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識和能力，我選擇非批量生產的小型物體加工流水線上的物料傳送機械手，而且也只僅限于固態(tài)物料。
(2) 由于我所選擇的機械手是非批量生產的小型物體加工流水線上的物料搬運機械手，所以，機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求容錯率低，精度高，速度快。
（3）再者是搬運物體的考慮，由于是小型物件，所以對機械手的抓取力量并無太高要求，而物體形狀初步擬定為圓柱形或有一定形狀的物料，以此可以方便設計。
2.1.2 總體設計框圖
圖1 總體設計框圖
如圖2為總設計框圖，說明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的傳感器反饋和作業(yè)指令程序回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。
(2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。
(3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.2 搬運機械手結構設計
2.2.1 搬運機械手坐標形式的選擇
根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降，機械臂的伸縮，得到了機械臂的三個自由度。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。
2.3 機械手材料的選擇
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來進行選擇，并滿足機器人的設計和制作要求。從設計的思想出發(fā)，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。另一方面，手臂在運動過程中往往會產生振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對剛度、質量、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結構材料不同。機器人手臂是一種伺服機構，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、結構性、質量等性質一起考慮。
總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮剛度、強度、彈性、重量、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料：
(l) 碳素結構鋼和合金結構鋼等高強度鋼:這類材料強度好，尤其是合金結構鋼強度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強，它不僅廣泛應用于建筑，橋梁，鐵道，車輛，船舶和各種機械制造工業(yè)，而且在近代的石油化工業(yè)，海洋開發(fā)產業(yè)，等也得到了大量的使用，所以這是應用最廣泛的材料;
(2) 鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設計。陶瓷一般硬度較高，但是可塑性比較差，常溫遇水可塑，微干可雕，全干可磨。然而，日本己試制了在小型高速機器人上通過使用的陶瓷機器人手臂的樣品;
從本文設計的三自由度搬運機械手的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性和方便設計等因素。在衡量了各種因素和結合工作狀況的條件下，初步選用了應用較廣的鋁合金作為機械手臂的構件。
2.4 機械臂的運動方式
結構設計的基礎是根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式。常見的機器人的運動形式有五種:圓柱坐標型、直角坐標型、關節(jié)型、極坐標型和SCARA型。同一種運動形式為適應不同生產工藝的需要，可采用不同的結構。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到機械手的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結構緊湊、占用空間小等特點，故選用關節(jié)型機械手。這類機械手一般由2個肩關節(jié)和1個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。其中，一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線，如圖所示。這種構形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內手臂的干涉最小、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類機械手運動學比較復雜，運動學的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。
圖2 常見的運動方式
2.5 搬運機械手驅動與控制系統(tǒng)分析
2.5.1 驅動方式的選擇
機械手常用的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種基本形式。
液壓驅動的特點是功率大、結構簡單，可省去減速裝置，響應快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。
氣壓驅動的能源、結構都比較簡單，但與液壓驅動相比，功率較小，速度不容易控制，精度不高。
電機驅動能源簡單，機構速度變化范圍大，效率高，位置和速度的精度都很高，使用方便，噪聲低，控制靈活。
開始設計這個搬運機械手的時候，我先選擇步進電機的傳動結構，但是考慮到機械手的升降運動運用純機械結構并不能達到理想傳動效果。本課題設計的機械手的運動形式只要實現(xiàn)伸縮就可以了，所以用液壓驅動是沒有問題的；而機械手臂旋轉如若使用氣壓或者液壓傳動，就必須帶有旋轉氣壓或者旋轉液壓缸，相對來說結構較為復雜，不利于設計。
所以就需要對方案進行改進，將驅動的方式分成兩個部分。其中，機械臂的回轉可以采用電機傳動的驅動方式，通過電機帶動齒輪鏈進行旋轉傳動；而機械臂的伸縮、升降和機械手抓的抓取，都采用液壓驅動方式。但是本課題設計的機械手比較簡單，只需要實現(xiàn)由伸縮的運動，因此在立柱和手臂部分都采用液壓驅動的方式。
2.5.2 控制系統(tǒng)的選擇
這里選擇用PLC控制的控制系統(tǒng)。
第3章 搬運機械手機械結構設計與計算
3.1 搬運機械手手爪設計
設計時考慮的幾個問題：
1. 具有足夠的夾緊力：在確定手爪的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。
2. 手爪間應具有一定的開閉角：兩手爪張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手爪的開閉角。手爪的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手爪只有開閉幅度的要求。
3. 保證工件準確定位：為使手爪和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手爪形狀。考慮被抓取對象的要求，手爪形狀設計成V型。
4. 具有足夠的強度和剛度：手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，應當盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小。
3.2 搬運機械手手臂設計
機械手臂，在我的設計中，涉及到三個自由度：升降、伸縮、旋轉。水平手臂作伸縮用，而垂直手臂則有兩部分組成。與底座連接部分為機械臂旋轉部分，通過電機帶動齒輪鏈使得機械臂旋轉；上面部分為機械臂升降部分，通過液壓驅動控制機械臂的升降。所以，我將機械手臂的設計分為三個步驟，先完成立柱的設計，再完成水平手臂的設計。
3.2.1 伸縮機械臂的設計
1.尺寸校核
(1) 在校核尺寸時，只需校核氣壓缸內徑=50mm,半徑R=25mm的氣壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,則驅動力：
(3-1)
（2） 分析計算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運動距離L為500mm，所以有公式：
圖3 V-t關系圖
(3-2)
又有加速度公式 (3-3)
(3) 測定手臂質量為,加速度，則慣性力：
(3-4)
(4) 考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
(3-5)
總受力 (3-6)
所以氣壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。
3.2.2 升降機械臂的設計
1. 尺寸設計
氣壓缸運行長度設計為=80mm,氣壓缸內徑為=80mm,半徑R=40mm,壓強p=0.4MPa,則驅動力：
(3-7)
2. 尺寸校核
（1）測定手臂質量為,則重力：
(3-8)
(2) 分析計算伸縮手臂加速度：
圖4 V-t關系圖
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運動距離L為100mm，所以有公式：
(3-9)
又有加速度公式 (3-10)
則慣性力為： (3-11)
（3）考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)k=0.1，如圖所示：
圖5
若安裝時升降臂完全豎直，則摩擦力為零。但在實際操作中，不能達到此效果，所以設定偏斜角度為1°～3°。所以重力G在機械臂面上有一個分力對機械臂側面產生壓力，故產生了摩擦力。則有公式：
(3-11)
(3-12)
總受力 (3-13)
所以設計尺寸符合實際使用要求。
3.2.3 手臂回轉運動
圖6 手臂升降和回轉機構圖
實現(xiàn)手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有齒輪傳動機構、回轉缸、鏈輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖7所示，回轉運動由齒條活塞桿4驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵8帶動外套一起轉動實現(xiàn)手臂的回轉。
3.2.4 臂垂直升降運動驅動力的計算
手臂作垂直運動時，除克要服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；
W——臂部運動部件的總重量（N）；
±——上升時為正，下降時為負。
當Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時
Pq=40+100+1098=1238（N）
3.2.5 臂部回轉運動驅動力矩的計算
臂部回轉運動驅動力矩應根據(jù)啟動時回轉部件支承處的摩擦力矩與產生的慣性力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅動力矩Mq可按下式計算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩；
Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：
Mg = J (/Δt)(N·m)
式中 J——手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量（kg·m）;
——回轉手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉臂啟動時間（s）
當Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
對于活塞、油缸和導向套筒等的轉動慣量都要做詳細的計算，因為這些零件的重量較大或回轉半徑較大，對總的計算結果影響也較大，對于小零件則可作為質點計算其轉動慣量，對其質心轉動慣量可以忽略不計。對于形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當作質點計算。
3.3 手部設計計算
(1) 對手部設計的要求
(a) 有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
(b) 有足夠的開閉范圍
根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于120mm 。
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的手指的形狀和尺寸，一般來說，如果工作環(huán)境許可的情況下，開閉范圍大一些較好，如圖5所示。
圖7 機械手機構開閉示例簡圖
(c) 力求結構簡單，重量輕，體積小
手抓處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)比較多，其結構，重量和體積都會直接影響整個機械手機構的結構，抓重，運動速度，定位精度等性能。因此，在設計手抓部分時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。
(d) 手指應有一定的強度和剛度
(e) 其它要求：
因此送料，夾緊機械手機構，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
(2) 拉緊裝置
如圖6所示：油缸右腔在進油停止的時候，彈簧力主動夾緊工件，油缸右腔在進油的時候松開工件，這樣就可以通過油的進出來控制加緊工件。
P
圖8 油缸示意圖
（a）右腔推力為
設定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=25Mpa
（3-16）
=
=4908.7N
(b) 根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
（3-17）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實際加緊力為 F1實際=
PK1K2/η （3-18）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c) 計算手部活塞桿行程長L,即
（3-19）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d) 確定“V”型鉗爪的L、β。
取L/Rcp=3 （3-20）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-21）
由公式得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5) 機械運動范圍（速度）
(a) 伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b) 上升運動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c) 下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d) 回轉 =90o/s
=30o/s
所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s
(6) 手部右腔流量
（3-22）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7) 手部工作壓強
（3-23）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.4 腕部設計計算
腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題的搬運機械手腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。
要求：回轉±90o
角速度=45o/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l =650mm。如圖7所示。
(1) 計算扭矩
設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（3-24）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖9 腕部受力簡圖
(2) 油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3) 擺動缸的摩擦力矩
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4) 擺動缸的總摩擦力矩
=++ （3-25）
=30.5（N·M）
(5) 由公式
（3-26）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內徑, 這里取=10cm；
—轉軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s=27ml/s
3.5 液壓驅動系統(tǒng)設計
液壓控制機械手機構的一種主要的控制形式。機械手機構的操作和運動速度室要根據(jù)液壓油的流量與壓力來判斷，因而只要控制液壓油的流量和壓力，就可以控制機械手機構的操作力和運動速度，液壓油壓壓力一般在5—140公斤/厘米的可控制范圍內，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1) 液壓執(zhí)行元件(馬達和油缸)結構緊湊，重量輕，功率小。
(2) 可通過液壓油帶能走大量熱能的特性，保證機械的正常運行，并可以利用液壓油的潤滑作用，可延長工件的使用壽命。
(3) 液壓元件有旋轉式和直線位移式二種，適用的范圍比較廣，它能控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4) 響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5) 液壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:
(1) 液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。
(2) 油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。
(3) 控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便?？傮w系統(tǒng)圖
圖 10 總體系統(tǒng)圖
(1) 總體系統(tǒng)圖如圖8所示,
(2) 工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松
(3) 電磁鐵動作順序表:
表2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
圖11 液壓傳動系統(tǒng)簡圖
第4章 搬運機械手控制系統(tǒng)的設計
4.1 PLC簡介
PLC(Programmable Logic Controller)，是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。
PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：(1)電源；(2)存儲器；(3)中央處理單元(CPU)；(4)輸入輸出接口電路；(5)通信模塊；(6)功能模塊。
4.2 PLC工作原理
當PLC投入運行后，它的工作過程一般分為這三個階段：(1)即輸入采樣：(2)用戶程序執(zhí)行：(3)輸出刷新三個階段。完成以上三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
1.輸入采樣階段
2.用戶程序執(zhí)行階段
3.輸出刷新階段
4.3 PLC機型的選擇
我選擇使西門子PLC。原因如下：
西門子與其他的PLC相比，指令采用功能塊。更通俗易懂！在模擬量的輸出和讀取上要簡單得多，只需要使用傳送命令就可以了，模擬量達寄存器在PLC中就相當于一個普通的數(shù)據(jù)寄存器，在脈沖輸出功能和可設置性更強大，更適合精準控制，通信能力更強大。擴展能力和適應性更強，更多的智能模塊可以更廣泛的應用于各種行業(yè)。
西門子既可以使用NPN的傳感器也可以使用PNP的傳感器，適用于改造舊設備，不管以前的設備是何種傳感器都能輕松的代替。
程序編寫采用子程序編寫方法。更主觀更容易看懂，對于編程者的編寫順序，手自動程序的編寫，某個獨立部件編寫等等都能清清楚楚的分開來。西門子PLC的端子設計的是非常好的，非常容易拆卸，吳螺絲鎖定！一秒鐘就可以拆下來了！綜上所述，所以我選擇了西門子PLC！
4.3.1 PLC機型的選擇
因每種品牌配置不一樣，所以它的選型方式也有所差異。
西門子PLC的型號有多種多樣，比如： S7-200CN，S7-200，S7-300，S7-400，ET200，S7-1200。而本次設計采用S7-200。
要選擇相對應的機型，就要分析被控對象：
此次PLC需要控制的對象為物料傳送機械手，由于用途比較固定，I/O點數(shù)并不復雜，所以選擇小型PLC即可。故選擇三菱PCL中FX1N系列的PLC。
4.3.2 所選PLC的參數(shù)
表5 FS1S系列PLC的參數(shù)
項目
規(guī)格
備注
運轉控制方式
通過儲存的程序周期運轉
I/O控制方法
批次處理方法
I/O指令可以刷新
運轉處理時間
基本指令：0.55至0.7μs
應用指令：3.7至幾百μs
編程語言
邏輯梯形圖和指令清單
使用步進梯形圖生成SFC類型程序
程式容量
內置2K步EEPROM
存儲盒(FX1n-EEPROM-8L)可選
I/O配置
最大總I/O由主處理單元設置
指令數(shù)目
基本順序指令：27
步進梯形指令：2
應用指令：85
最大可用167條應用指令，包括所有的變化
輔助繼電器(M)
一般
384點
M0至M383
鎖定
128點（子系統(tǒng)）
M384至M511
特殊
256點
M8000至M8255
狀態(tài)繼電器(S)
一般
128點
S0至S127
初始
10點（子系統(tǒng)）
S0至S9
定時器(T)
100毫秒
范圍：0至3276.7秒63點
T0至T55
10毫秒
范圍：0至327.67秒31點
當特殊M線圈工作時T32至T62
1毫秒
范圍：0.001至32.767秒1點
T63
計數(shù)器(C)
一般
范圍：1至32767數(shù)16點
C0至C15
類型：16位增計數(shù)器
鎖定
范圍：1至32767數(shù)16點
C16至C31
類型：16位增計數(shù)器
數(shù)據(jù)寄存器(D)
一般
128點
D0至D127
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對
鎖定
128點
D128至D255
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對
外部調節(jié)
范圍：0至255 2點
通過外部設置電位計間接輸入D8013或D8030&D803114數(shù)據(jù)
特殊
256點（包含D8030，D8031）
從D8000至D8255
16位數(shù)據(jù)存儲寄存器
變址
16點
V和Z
16位數(shù)據(jù)存儲寄存器
指標(P)
用于CALL
64點
P0至P64
用于中斷
6點
100*至130*
（上升觸發(fā)*=1，下降觸發(fā)*=0）
常數(shù)
十進位K
16位：-32768至+32768
32位：-2147483648至+2147483647
十六進位H
16位：0000至FFFF
32位：00000000至FFFFFFFF
4.4 PLC控制面板的擬定
我初步設想的機械手工作，有三種工作狀態(tài)：第一種是自動工作，用于批量物料搬運，使用時間長，普遍；第二種是單步工作，就是機械手只運送一次工件就停止運行，用于個別物料的搬運，使用時間不長；第三種為手動操作，是根據(jù)實際情況人為操作的控制方式。
圖12 建議控制面板的設計
圖13 PLC控制原理圖
圖14 機械手操作面板示意圖
4.5 機械手工藝過程和控制方案的確定
4.5.1 明確工藝要求
(1) 初始狀態(tài)，按啟動按鈕傳送帶A開始傳送物料，光電傳感器開始工作，機械手回原點。
(2) 當光電傳感器檢測到有物料時，傳感器將信號傳給機械手，機械手開始工作。
(3) 機械手從初始位置開始運動，通過機械手臂的旋轉，機械手抓伸出，機械臂下降，機械手抓抓緊來獲得傳送帶A上的物料。
(4) 獲得物料后，通過機械手臂升降，機械手抓的伸縮，機械臂旋轉，機械手抓的放松，將物體運送到傳送帶B上。
(5) 機械手完成這一系列動作后，自行復位，開始重復工作。
(6) 傳送帶B獲得物體后，通過光電傳感器測定是否有物體在傳送帶B上，來控制傳送帶B的工作。
4.5.2 確定工藝流程
確認工藝要求后，開始著手思考工藝流程。
根據(jù)我的設計思路，完成一次物料傳送動作需要完成如下幾個步驟：判斷物料；機械手準備(其中包括機械臂的上升旋轉、機械手抓張開)；機械臂旋轉到指定位置；機械臂下降；機械手抓?。贿\輸過程(其中包括機械臂上升、旋轉、下降到指定位置，此期間機械手不放松)；機械手放松。
在執(zhí)行這個過程前，考慮到機械手在工廠中使用，不能排除機械手誤開的情況，所以加入若20s內無物料信號則系統(tǒng)自動停止這條指令。
執(zhí)行中，分析整個流程，發(fā)下如下問題：
（1） 如何設置機械臂運動限位，設置值為多少合適。為了最快速有效的完成傳送工作，并且簡化程序，我想為機械臂直接設計限位，而機械臂的每次運動都直接運動至限位，這樣方便編程，并且方便操作。
（2） 在整個過程中，無疑需要涉及到傳感器。現(xiàn)在已知需要光電傳感器來判斷是否有物料，需要判斷機械臂旋轉的磁性傳感器。那是否還需要其他傳感器來完善整個系統(tǒng)也成為了一個需要思考改進的地方。
確定工藝流程后，就需要制作工藝流程圖，來更清晰的表現(xiàn)機械臂系統(tǒng)的運行情況。工藝流程圖如下：
圖15 工藝流程圖
根據(jù)工藝流程，可知此物料傳送機械手工作的步驟，也能比較清晰的了解整個系統(tǒng)的運行情況。根據(jù)流程圖，我們可以開始展開接下去