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機械手設(shè)計論文:仿人機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)實意義

【摘 要】本文闡述了仿人機械手研發(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械手進行了三維建模以及運動學(xué)仿真，同時闡明了仿人機械手研究對社會生活的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】仿人機械手；三維建模；運動學(xué)仿真

0 引言

機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和綜合能力的重要標志，而服務(wù)機器人是未來社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，對于服務(wù)機器人的研究，尤其是仿人機器人的研究是具有巨大經(jīng)濟價值和歷史意義的，其原因有兩個：及時，世界老齡化進程的加快，尤其是中國也正進入老齡化社會，照顧老人問題即將成為一個嚴重的社會問題，而仿人機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重增加社會的負擔(dān)。所以對于服務(wù)型機器人的研究，顯得格外重要。

目前有很多服務(wù)型機器人，但是沒有一個機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器人的機械手開始研究的。

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)在機械手的研究上都取得了不小的突破。

我國機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)機器人研究所研制的“仿人型機器人靈巧手”，2006年5月亮相德國慕尼黑國際機器人及自動化展覽會，以其精美的外觀、的軟硬件系統(tǒng)等贏得了眾多參觀者的贊賞，并率先進入了國際市場。

由此可見，目前多數(shù)國家和企業(yè)高校都在對仿人機械手進行研究與設(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中的應(yīng)用。

2 五指仿人機械手設(shè)計

本文設(shè)計的五指仿人機械手具有的優(yōu)勢有：采用欠驅(qū)動控制方式[3]，所以機械系統(tǒng)大大簡化，機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)機器人的移動平臺上；同時每個手指都靠手指末端拉力進行運動，也就是說只需要一個拉力便可以實現(xiàn)機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對五指仿人機械手進行建模，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

對于仿人機械手的研發(fā)對社會有著重要意義：其一，對于服務(wù)機器人的研制，尤其仿人機器人的研究應(yīng)用，必將對機器人行業(yè)起到積極的促進作用；其二，仿人機械手的研發(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)濟價值；其三，其技術(shù)的實現(xiàn)可以促進制造業(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)機器人上機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。

基于欠驅(qū)動機構(gòu)的機械手爪的研究[j].機械工程學(xué)報，2004（05）.

機械手設(shè)計論文:側(cè)取機械手觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計探討

摘要：介紹并闡述了側(cè)取機械觸摸屏的控制程序和頁面功能，通過對側(cè)取機械手觸摸屏系統(tǒng)的設(shè)計研究，實現(xiàn)了人機交互功能和設(shè)備控制。

關(guān)鍵詞：機械手；觸摸屏；控制系統(tǒng)

1側(cè)取機械手系統(tǒng)人機畫頁設(shè)計

觸摸屏程序設(shè)計的主體是屏幕畫頁的設(shè)計，依據(jù)控制系統(tǒng)的要求和功能，觸摸屏畫頁設(shè)計主要由背景頁面、參數(shù)設(shè)定框、工作狀態(tài)窗口、控制按鈕、報警顯示畫頁等部分組成。圖1為人機畫頁的總體框架設(shè)計圖，主控畫頁由手動、參數(shù)設(shè)置、自動、系統(tǒng)報警畫頁、I/O顯示等部分組成。本文設(shè)計主要是依據(jù)執(zhí)行功能選取相應(yīng)的屏幕控制元件同時對元件屬性相關(guān)的地址或參數(shù)進行設(shè)置[1]。

2開機畫頁設(shè)計

首先開機時設(shè)備要進行自我檢查，確認設(shè)備所有輸出、輸入信號都處于正常狀態(tài)。機械手觸摸屏系統(tǒng)的開機畫頁如圖2所示。

3主控畫頁

主控畫頁由原點復(fù)歸、手動、自動、設(shè)置、I/o、警報五個命令按鈕組成，如圖3所示。系統(tǒng)自檢完成后對伺服軸進行原點復(fù)歸可以按下原點復(fù)歸按鈕，在圖4按鈕屬性中，可將地址設(shè)定為與PLC相對應(yīng)的工作區(qū)地址W0.11，按鈕按下時，寫入地址1，按鈕放開時，寫入地址0。切換屏幕屏幕實現(xiàn)不同控制功能時，可按下按鈕“手動”“設(shè)置”“自動”“I/O”“警報”[2]。

4手動畫頁

如圖5所示，側(cè)取機械手系統(tǒng)手動畫頁各個控制按鈕實現(xiàn)各個運動操作步驟。控制按鈕為觸發(fā)信號實現(xiàn)各步驟的運行，按鈕可實現(xiàn)PLC發(fā)送相應(yīng)的動作指令并驅(qū)動機構(gòu)完成相應(yīng)動作。畫頁設(shè)計要考慮手動動作的互鎖關(guān)系，例如手動旋出是不能旋入的[3]。

5參數(shù)設(shè)置畫頁的設(shè)計

利用NS觸摸屏的數(shù)字輸入功能可以進行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。如下頁圖6所示，設(shè)置自動時及時次、第二次旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)確定的PLC程序里脈沖輸出口發(fā)出的脈沖數(shù)決定伺服電機旋轉(zhuǎn)的角度并對應(yīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器，該設(shè)定數(shù)據(jù)還與伺服驅(qū)動器的電子齒輪比有關(guān)系。速度選擇按鈕是通過改變脈沖輸出的頻率來實現(xiàn)的。各個延時的設(shè)計與設(shè)定同理[4]。

6狀態(tài)監(jiān)控畫頁的設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)控畫頁圖設(shè)計如圖7所示，通過NS觸摸屏位燈來顯示PLC各輸入/輸出觸點的狀態(tài)，能幫助使用者通過提供各個傳感器信號顯示來判斷各個信號是否正常。例如，燈變黃色為全自動信號，表示注塑機打開全自動信號。燈變黃色表示壓力不足，表示系統(tǒng)壓力不足，壓力傳感器被觸發(fā)發(fā)出了信號[5]。輸出畫頁同理。

7結(jié)語

本文利用歐姆龍編程軟件對側(cè)取機械手的觸摸屏控制程序進行設(shè)計，并闡述每個操作畫頁的功能及相關(guān)創(chuàng)建過程。通過對觸摸屏畫頁程序的設(shè)計研究，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的人機交互功能。

作者：董志強 鄧建勝 石平義 劉俊 單位：佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系

機械手設(shè)計論文:數(shù)控機床上下料機械手設(shè)計流程

輸送技術(shù)是數(shù)控機床運轉(zhuǎn)的主要技術(shù)手段，對機床的各項性能指標具有非常重要的意義。發(fā)動機缸體的三軸孔加工在缸體運行過程中，還是提高運轉(zhuǎn)度的關(guān)鍵。過去的三軸孔鏜床具有復(fù)雜的架構(gòu)，在防護時的難度較高，輸送速度相對很慢，生產(chǎn)時難免不能促進機床有效運轉(zhuǎn)。采用數(shù)控機床上下料機械手設(shè)計方法，能夠較大限度的避免這些不足，進一步強化數(shù)控機床的剛性能力，增強轉(zhuǎn)機缸體在輸送中表現(xiàn)出的柔性特點，并降低運轉(zhuǎn)的時間，提高運行效率，切實提高它的機械化水準。下面本文就結(jié)合我國數(shù)控機床施工的實際情況，簡單闡述一下如何有效提高機床上下料機械手設(shè)計的能力，完善其運轉(zhuǎn)流程，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢。

一、數(shù)控機床上下機械手的發(fā)展與動態(tài)情況

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國目前數(shù)控機床上下機械手的研究和發(fā)展較為突出，它的動態(tài)特征也相對明顯。一是，模塊化與可重構(gòu)化成為了動態(tài)發(fā)展的基礎(chǔ)；二是，PC機的開放型控制器變?yōu)榱松舷铝蠙C械手體系發(fā)展的主要方向，網(wǎng)絡(luò)化和標準化態(tài)勢異常突出。器件的集成度不斷強化，設(shè)計出的架構(gòu)也更加靈巧，系統(tǒng)安全性和性更為有效；三是，機械手中的傳感器發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，位置傳感器和速度傳感器得到了進一步應(yīng)用，視覺、觸覺傳感器的加入使用，更是將上下料機械手推向了更為先進的方向；，以焊接和裝配為代表的機械產(chǎn)品也走向了模塊化方向，其仿真效果和動態(tài)特征異常突出。

二、上下機械手手爪架構(gòu)的流程設(shè)計

數(shù)控機床上下機械手的樣式多樣，類型豐富，在操作過程中對作業(yè)和裝置的要求嚴格，根據(jù)不同的操作需求，機械手的選擇也不盡相同。最常見的機械手是測量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它們的差異明顯，作用不同。機械式手爪設(shè)計流程必須符合要求，遵循具體原則實施施工，根據(jù)其運轉(zhuǎn)和作用的內(nèi)容進行相關(guān)設(shè)計和開發(fā)。為了避免它與萬能手爪方式存在矛盾，還要將工業(yè)應(yīng)用作為設(shè)計的基礎(chǔ)，將重點放在機械手設(shè)計過程中，實現(xiàn)和健全它的工作職能，考慮設(shè)計流程的經(jīng)濟效益。另外，機械手爪架構(gòu)還必須具備通用特征，能夠使用有限數(shù)量的手爪適應(yīng)不同要求的機械手，在末端執(zhí)行器開展工作的時候，還應(yīng)該配置一個標準的機械接口，保障執(zhí)行過程的標準化特征。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的加工。在對上下料機械手進行設(shè)計的過程中，一定要首先分辨用途，然后在結(jié)合實際設(shè)計流程，突出其使用效率。

三、上下料機械手設(shè)計方案的實際運轉(zhuǎn)

數(shù)控機床上下料機械手設(shè)計流程完善規(guī)范后，還要確保其實際運行的科學(xué)性。由于機械手手臂基本上都為直線式，它的剛度又較大，在運動過程中勢必會對穩(wěn)定性和安全性具有更高的要求。因此，在實際運轉(zhuǎn)過程中，一定要選用液壓驅(qū)動的方式，根據(jù)液壓缸表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動特征，突出它的執(zhí)行作用，降低控制難度，并使用計算機實施管理控制。在此基礎(chǔ)上，機械手手臂在具體運轉(zhuǎn)過程中還具有自身的控制要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計不用過多關(guān)注長度，僅僅依賴加大液壓缸的直徑來提高其剛度，那么勢必?zé)o法滿足系統(tǒng)需要，設(shè)計問題也會暴露。針對這樣的現(xiàn)象，在具體設(shè)計過程中，要添加導(dǎo)桿機構(gòu)在設(shè)計之中，在小臂上安裝導(dǎo)桿兩個，并使它們與活塞桿組成一個三角形，通過三角形的穩(wěn)定性提高小臂的剛度性能。在大臂上則安置四個導(dǎo)桿，構(gòu)成一個四邊形，并且保障每個導(dǎo)桿都為空心樣式，進而較大限度的降低大臂重量，做好機械手設(shè)計流程的應(yīng)用，發(fā)揮其技術(shù)能力。

四、機械手的主要優(yōu)勢和運用

數(shù)控機床上下料機械手的作用和優(yōu)勢明顯，它的作用突出，具備較好的特征。另外，機械手的實施方案具有速度快、工作效率高等優(yōu)勢，它的負載能力強，移位的精準性好，故障出現(xiàn)的頻率勢必會大大減小，其優(yōu)勢作用相當明顯。例如，機械手在DK050機床上的成功應(yīng)用就是一個顯著的案例，也是數(shù)控機床柔性輸送方面的一個巨大的創(chuàng)新內(nèi)容。在未來的發(fā)展過程中，它勢必會得到更加完善的運用，機械手的開發(fā)和使用也將得到前所未有的發(fā)揮，為廣大使用者提供更加便捷的服務(wù)，減少施工時間，擴大經(jīng)濟效益。

五、結(jié)語

綜上所述，在社會主義經(jīng)濟、技術(shù)飛速革新的大背景下，我國的數(shù)控機床的應(yīng)用范圍愈加寬廣，在機械行業(yè)應(yīng)用上下料機械手也必將成為一大趨勢。它的優(yōu)勢的凸顯和發(fā)揮，能夠成功運用機械零件的組裝功能，做好工件裝卸和搬運工作，在組合中體現(xiàn)機床優(yōu)勢，發(fā)揮它的自動化作業(yè)。因此，數(shù)控機床在使用中一定要做好機械手的設(shè)計，保障其流程的科學(xué)化和穩(wěn)定性，將機械手與機床結(jié)合為一個有機的整體，提高它們的柔性優(yōu)勢，節(jié)省工件輸送的運行時間，并且較大程度的加強兩者的穩(wěn)定性，提升其適應(yīng)能力。通過技術(shù)和經(jīng)濟的雙重考慮，完善機械手的功效作用，切實完善其流程，確保其作用的發(fā)揮彰顯。

作者：張偉 單位：齊重數(shù)控裝備股份有限公司

機械手設(shè)計論文:多關(guān)節(jié)型搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

1多關(guān)節(jié)型搬運機械手的機械構(gòu)造設(shè)計

1.1多關(guān)節(jié)型搬運機械手的整體設(shè)計

通過對相關(guān)文獻進行查閱，文章根據(jù)多關(guān)節(jié)型搬運機械手的工作目的以及工作環(huán)境，對該機械的整體機構(gòu)進行有效設(shè)計[1]。在本次設(shè)計過程中，多關(guān)節(jié)型搬運機械手由兩個可移動關(guān)節(jié)與四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所構(gòu)成，在實際應(yīng)用過程中可實現(xiàn)六個自由度變換，機械運動形式是多關(guān)節(jié)式。多關(guān)節(jié)型搬運機械手的設(shè)計過程中，機械原動件作為機械定位工作與運動工作的重要保障性因素，在設(shè)計過程中采用液壓缸與電機，有效提升多關(guān)節(jié)型搬運機械手的定位精度與動力強度。對多關(guān)節(jié)型搬運機械手的前三個自由度，在設(shè)計過程中采用電機驅(qū)動的方式，以此保障多關(guān)節(jié)型搬運機械手在實際應(yīng)用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)更加的定位操作。在后三個自由度的設(shè)計過程中，由于考慮到多關(guān)節(jié)型搬運機械手的驅(qū)動力因素，所以，后三個自由度采用液壓驅(qū)動裝置，以此實現(xiàn)多關(guān)節(jié)型搬運機械手在滿足定位的前提下，還能保障較高的驅(qū)動強度，使多關(guān)節(jié)型搬運機械手可以滿足各種特殊操作的實際需要。多關(guān)節(jié)型搬運機械手在設(shè)計過程中，其基礎(chǔ)部件構(gòu)成分別為基座、手臂、電機、立柱、末端執(zhí)行器、后殼體、小臂俯仰電機、腰部回轉(zhuǎn)電機、蓋板、腕部回轉(zhuǎn)液壓缸[2]。在實際設(shè)計過程中，由于考慮到多關(guān)節(jié)型搬運機械手實際運作過程中，機械前三個關(guān)節(jié)承受壓力過大，以此在設(shè)計過程中，將基座與大臂的齒輪組減速方式進行統(tǒng)一化，以傳遞力矩的方式有效減少前三個關(guān)節(jié)處的受力。同時，為減小機械各級構(gòu)件中受到的扭矩，設(shè)計過程中在大臂后端與基座的上方位置設(shè)置了電機，以此保障機械在實際運作過程中重心的穩(wěn)定。，考慮到多關(guān)節(jié)型搬運機械手在實際工作環(huán)境，在設(shè)計過程中需要相對的極大機械載重能力，在設(shè)計過程中保障機械各個構(gòu)件的穩(wěn)固連接。

1.2多關(guān)節(jié)型搬運機械手自由度的設(shè)計

在本次多關(guān)節(jié)型搬運機械手的設(shè)計過程中，實現(xiàn)了多關(guān)節(jié)型搬運機械手六個自由度的變換，以此保障多關(guān)節(jié)型搬運機械手在實際運作過程中可以完成各種運動與姿態(tài)，詳細設(shè)計方案如下：（1）多關(guān)節(jié)型搬運機械手的手部夾緊動作是該機械在實際工作過程中尤為重要的功用動作，在設(shè)計自由度的過程中，機械手部通過液壓驅(qū)動裝置進行夾緊控制，同時，連接軸與驅(qū)動搖桿在實際運作過程中控制機械夾持器的開合動作。（2）在多關(guān)節(jié)型搬運機械手自由度的設(shè)計過程中，對機械腕部進行回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置，以此滿足多關(guān)節(jié)型搬運機械手在實際工作中可以將圓柱形金屬部件平穩(wěn)的放置到工作臺上，實現(xiàn)多關(guān)節(jié)型搬運機械手腕部的0°至180°的旋轉(zhuǎn)。（3）在多關(guān)節(jié)型搬運機械手自由度的設(shè)計過程中，機械小臂設(shè)置為液壓缸動力驅(qū)動，以此保障機械小臂的伸縮運動正常進行，小臂較大伸縮距離為600mm，在應(yīng)用過程中可以很好的滿足工程生產(chǎn)的實際需要。（4）在多關(guān)節(jié)型搬運機械手自由度的設(shè)計過程中，機械小臂與大臂作為多關(guān)節(jié)型搬運機械手的主要傳動機構(gòu)，在實際設(shè)計過程中使用旋轉(zhuǎn)副鏈接，為保障小臂與大臂在實際工作中具有更大的活動空間，在設(shè)計過程中對小臂平面內(nèi)進行±70°的俯仰設(shè)置。（5）大臂作為多關(guān)節(jié)型搬運機械手中最為直觀的機械構(gòu)造，其位于多關(guān)節(jié)型搬運機械手腰部上方，由機械后殼體進行支撐。該構(gòu)件在實際工作中可以實現(xiàn)±360°的轉(zhuǎn)動，在實際工作過程中其重要性不言而喻。在進行大臂自由度的設(shè)計過程中，需要在大臂豎直平面內(nèi)的±70°范圍內(nèi)設(shè)置俯仰，以此保障大臂可以在這個范圍內(nèi)進行擺動作業(yè)。（6）在進行多關(guān)節(jié)型搬運機械手的自由度設(shè)計過程中，該機械的基座成為自由度設(shè)計過程中需要重點創(chuàng)新與改善的內(nèi)容?；鳛槎嚓P(guān)節(jié)型搬運機械手中各個構(gòu)件的支撐架，基座上的主軸在自由度的設(shè)計過程中可以實現(xiàn)±360°的回旋運動，以此帶動機械手完成各種復(fù)雜的操作。

2多關(guān)節(jié)型搬運機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計

在進行多關(guān)節(jié)型搬運機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，控制系統(tǒng)的軟件編程是其中的一個重要組成部分[3]。根據(jù)多關(guān)節(jié)型搬運機械手的實際操作內(nèi)容，為滿足該機械操作靈活的特點，機械手在軟件編程過程中應(yīng)分為手動與自動兩個部分。

2.1自動操作系統(tǒng)設(shè)計

在進行多關(guān)節(jié)型搬運機械手自動操作系統(tǒng)設(shè)計的過程中，首先需要對該系統(tǒng)進行自動方式初始狀態(tài)的設(shè)置，當系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始的時候，設(shè)置系統(tǒng)原點位置條件，以此保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行情況。通過系統(tǒng)控制機械手進行上升操作的過程中，對系統(tǒng)操作進行上限為設(shè)置；在機械手進行左移的過程中，對操作系統(tǒng)進行左移限位的設(shè)置；在機械后進行下移的過程中，需要對操作系統(tǒng)進行下限位的設(shè)置；當機械進行抓取工作的時候，需要進行抓限位的設(shè)置；當機械手進行右移的時候，需要對操作系統(tǒng)進行右移限位的設(shè)置；當操作系統(tǒng)需要下降的時候，應(yīng)當對操作系統(tǒng)進行下限位的設(shè)置。諸如此類，通過這些有效設(shè)定，可以極大地保障自動化操作系統(tǒng)對機械手進行有效控制。

2.2手動操作系統(tǒng)設(shè)計

在進行多關(guān)節(jié)型搬運機械手手動操作系統(tǒng)設(shè)計的過程中，根據(jù)多關(guān)節(jié)型搬運機械手的工作內(nèi)容及工作環(huán)境進行綜合考慮，在進行系統(tǒng)手動操作設(shè)計的過程中，需要根據(jù)機械各個動作進行有效設(shè)定。以機械手進行抓取作業(yè)為例，在機械手抓取的過程中，需要考慮到機械手的驅(qū)動力情況，在操作系統(tǒng)中有效應(yīng)用手動單步操作，以此滿足機械手的驅(qū)動能力，同時通過操作系統(tǒng)控制可以極大地保障機械手抓取過程中的性；諸如此類，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，有效結(jié)合多關(guān)節(jié)型搬運機械手自身運行特點，將系統(tǒng)優(yōu)勢進行充分發(fā)揮。

3結(jié)束語

綜上所述，多關(guān)節(jié)型搬運機械手作為我國機械技術(shù)發(fā)展與科學(xué)水平進行的直觀表現(xiàn)，該機械在實際應(yīng)用于我國各個行業(yè)的生產(chǎn)過程中發(fā)揮出了極大的效用，為我國經(jīng)濟發(fā)展與生產(chǎn)力進行做出了極大的貢獻。在多關(guān)節(jié)型搬運機械手今后的實際應(yīng)用與自身發(fā)展的過程中，相關(guān)科研人員應(yīng)該加大對多關(guān)節(jié)型搬運機械手的綜合研究，爭取在原有水平上獲得更大的進步，為我國未來的科學(xué)發(fā)展提供有力保障。

作者：王建衛(wèi) 單位：中天科技精密材料有限公司

機械手設(shè)計論文:射出成型機械手控制系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要:設(shè)計了一種射出型機械手控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用C8051F020單片機作為控制器,擴展了輸入輸出接口、彩色液晶接口、鍵盤、FLASH存儲器實時時鐘等模塊,并設(shè)計了SD卡接口,通過該接口可以實現(xiàn)系統(tǒng)軟件自更新功能.給出了系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法和軟件實現(xiàn)過程.通過在G28射出型機械手上測試表明,該系統(tǒng)能夠滿足此類機械手的控制要求.

關(guān)鍵詞:機械手;控制器;實時時鐘

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及中國勞動力成本的不斷增加,國內(nèi)很多企業(yè)開始從人口密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變,制造業(yè)發(fā)展模式也從粗放式向精細式轉(zhuǎn)變[1].工業(yè)機器人代替人進行單調(diào)、繁重工作或在惡劣環(huán)境下工作[2].這種轉(zhuǎn)變給國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展帶來了巨大機遇.目前,國內(nèi)企業(yè)比較常用的工業(yè)機器人分為多關(guān)節(jié)型、旋臂型、直角坐標型等,每種機器人有著不同的應(yīng)用場合.關(guān)節(jié)型機器人一般價格較高,旋臂型機械手價格便宜.本文采用C8051F020單片機配合外圍電路,設(shè)計了一種旋臂式射出成型機械手控制系統(tǒng),通過SD卡接口,系統(tǒng)支持在應(yīng)用編程,顯示畫面也可通過該接口進行更新,方便機械手生產(chǎn)公司能根據(jù)不同的客戶進行二次開發(fā),設(shè)計不同的顯示界面.

1射出成型機械手動作流程

射出成型機械手的工作過程可分為手動運行和自動運行模式.自動運行模式又可分為固定運行模式和自定義運行模式.固定運行模式一般為機械手生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)常用的機械手動作流程而設(shè)定的一系列機械手動作序列.G28型射出成型機械手固定動作模式包括L型夾公模、L型夾母模、U型夾公模、U型夾母模、二次置料夾公模(吸夾同時)、二次置料夾母模(吸夾同時)、U型夾公模(內(nèi)置料)、U型夾母模(內(nèi)置料)等.機械手所有旋入、前進、吸夾等動作都通過氣動裝置實現(xiàn).

2系統(tǒng)方案

如圖2所示,G28型射出成型機械手通過控制系統(tǒng)控制,并配合產(chǎn)品的模具和注塑機等設(shè)備,完成產(chǎn)品的壓制成型.對于不同的產(chǎn)品,機械手有著不同的動作流程,不同動作之間的協(xié)調(diào)通過開關(guān)量信號或時間延時來控制,控制過程極其復(fù)雜.機械手整個動作流程的關(guān)鍵參數(shù)可以在彩色液晶屏上實時監(jiān)控,運行過程中的錯誤信息(出錯時間及故障類型)也能夠?qū)崟r保存.為了滿足G28型射出成型機械手控制要求,整個控制系統(tǒng)設(shè)計了CPU模塊、存儲模塊、液晶模塊、SD卡接口、實時時鐘、報警模塊、輸入輸出接口等.

3硬件設(shè)計

3．1CPU選擇

G28型射出成型機械手的控制系統(tǒng)需要的輸入輸出接口以及液晶屏、存儲器等的擴展接口較多,普通的51單片機很難滿足要求,為此選用了SiliconLbsa公司生產(chǎn)的混合信號微控制器C8051F020[3G4].該CPU雖然是基于51內(nèi)核架構(gòu),當時鐘頻率為25MHz時,速度可達25MIPS[5],并包含8組字節(jié)(8位)寬度輸入輸出口,通過適當擴展后能滿足該機械手對I/O口的要求.同時,該CPU包含64KFLASH存儲器,4K＋256B數(shù)據(jù)存儲器,8通道12位ADC,2個12位DAC、5個16位定時計數(shù)器等[6G9].C8051F020接口原理見圖3.

3．2存儲模塊

根據(jù)G28型射出成型機械手的控制顯示要求,彩色液晶需要顯示的內(nèi)容非常豐富,主要包括開機界面、機械手工作狀況查看界面、教導(dǎo)模式界面、自定義模式界面、運轉(zhuǎn)次數(shù)設(shè)定及查看界面、故障碼查詢界面、功能設(shè)定界面等.圖4給出了機械手工作狀況查看界面和教導(dǎo)模式界面的顯示內(nèi)容.由于每一頁顯示界面的基本色調(diào)和固定的圖形在系統(tǒng)工作時基本不變,為了編程方便,系統(tǒng)把所有顯示界面的基本色調(diào)和固定圖形都保存在擴展的存儲器中,系統(tǒng)工作時只要程序控制刷新相應(yīng)的參數(shù)和一些圖形的顏色.控制系統(tǒng)擴展了32MB的存儲器.系統(tǒng)采用了8片AT49BV322DFLASH存儲器實現(xiàn),其中28MB用于顯存功能,4MB用于機械手相關(guān)參數(shù)的保存.AT49BV322D采用字節(jié)工作模式,所以把8片存儲器的IO0—IO7并聯(lián)作為數(shù)據(jù)口,把8組地址(IO15、A0—A20)并聯(lián)連接(字節(jié)模式下,IO15作為低位地址),每片存儲器的片選采用一片74LVC138三G八譯碼器控制[10],譯碼器的A、B、C腳分別作為整個存儲系統(tǒng)的高三位地址.經(jīng)過擴展后,參數(shù)保存單元的地址范圍固定為:000000H—1FFFFFH,顯存的地址范圍為200000H—1FFFFFFH.

3．3液晶模塊

液晶模塊采用深圳拓普微公司生產(chǎn)的TFT型彩色液晶模塊LMT035DNAFWU.該液晶分辨率為320像素×240像素,模塊使用了圖形加速控制器T8000,彩色顯示度為65K色度,內(nèi)置中文字庫和畫圖指令,可以使用并行口或串行口與CPU通信[11].為了加快通信速度,系統(tǒng)采用了并行通信接口.LMT035DNAFWU的數(shù)據(jù)總線寬度可以設(shè)置為8位和16位,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線采用8位,8位數(shù)據(jù)線依次與C8051F020的P7口相連.液晶模塊18位地址線中,高2位地址線分別與P5．0、P5．1連接,低16位地址分別與P6和P7口連接,由于P7口通過時分復(fù)用的方式工作,所以液晶低8位地址與P7口連接時中間加了一片74LVC373.74LVC373是一款八D數(shù)據(jù)鎖存芯片[12].液晶模塊的/WR0寫信號通過p4．7控制.液晶模塊接口見圖5.

3．4SD卡接口

通過SD卡接口、配合為系統(tǒng)編寫的自更新程序和CPU的IAP功能,該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的自更新和顯存內(nèi)每一頁固定顯示內(nèi)容的自加載功能.

3．5鍵盤和報警模塊

G28型射出成型機械手控制面板需要17個按鍵.為了節(jié)省CPU的I/O口,系統(tǒng)采用了5×6矩陣鍵盤,在其中17個交叉點安置17個獨立式按鍵。

3．6實時時鐘模塊

機械手工作的時候,液晶顯示屏幕能顯示當前的日期和時間,當系統(tǒng)發(fā)生故障被檢測到的時候(如機械手旋入的時候安全門信號丟失等),控制系統(tǒng)需要記錄故障的類型及發(fā)生故障的時間,以方便維護和檢修.為此系統(tǒng)采用了一片實時時鐘芯片DS1302,該芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的涓流充電時鐘芯片[14].本系統(tǒng)使用獨立的32．768kHz晶振為該芯片提供時序.系統(tǒng)工作時,DS1302使用系統(tǒng)提供的電源供電,系統(tǒng)關(guān)閉后,芯片使用紐扣電池供電.

4軟件實現(xiàn)

4．1開機流程系統(tǒng)開機后,首先進行系統(tǒng)初始化,然后進行開機自檢并顯示首頁,系統(tǒng)不斷判斷目前工作模式,根據(jù)不同工作模式執(zhí)行相應(yīng)的程序.開機流程見圖7.

4．2手動和自動運行模式

手動運行模式為人工操作模式,操作員根據(jù)操作步驟通過鍵盤按鈕控制G28機械手完成相應(yīng)動作。

4．3程序自更新的實現(xiàn)

射出成型機械手一般工作在注塑等環(huán)境惡劣的場合,而且系統(tǒng)開發(fā)定型后,調(diào)試接口一般都已經(jīng)去除,對系統(tǒng)進行軟件升級一般只能換主板,這將造成很大的浪費.G28型射出成型機械手控制系統(tǒng)實現(xiàn)了軟件的自更新功能.系統(tǒng)使用的C8051F020本身可以實現(xiàn)IAP功能,系統(tǒng)預(yù)先燒錄了引導(dǎo)程序(bootloadGer)[15].圖10為應(yīng)用軟件自更新的流程圖.系統(tǒng)上電后,在地址0000H處存放的不是跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的指令,而是固定存放一條跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序的指令.引導(dǎo)程序判斷是否有SD卡,如果有SD卡,就判斷是否有應(yīng)用程序執(zhí)行文件(bin文件,文件名稱必須按要求固定不變),如果沒有新的應(yīng)用程序文件,就跳轉(zhuǎn)到目前系統(tǒng)的應(yīng)用程序執(zhí)行,如果有新的應(yīng)用程序文件,就讀取文件,替換系統(tǒng)舊的應(yīng)用程序.更新完成后,引導(dǎo)程序跳轉(zhuǎn)到更新后的應(yīng)用程序地址執(zhí)行.系統(tǒng)和SD卡的數(shù)據(jù)交換采用SPI方式進行。

5結(jié)語

本文設(shè)計了一種射出成型機械手控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)可以使機械手工作在手動和自動運行模式下,運行過程中的故障信息、運行次數(shù)實時保存記錄,通過彩色液晶屏,能夠?qū)崟r觀察動作執(zhí)行相關(guān)信息及外圍協(xié)調(diào)信號的狀態(tài),而且能夠智能化地判斷每一步動作與動作之間的合理性.軟件的自更新功能使應(yīng)用程序的升級變得更為簡單方便.該系統(tǒng)在G28型射出成型機械手的測試和應(yīng)用表明,該控制系統(tǒng)能夠滿足射出成型機械手的控制要求.

作者：張飛1;何雅琴2;錢金法1 單位：1．常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2．常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

機械手設(shè)計論文:鉆具旋轉(zhuǎn)機械手設(shè)計

《機械雜志》2014年第六期

1機械手總體設(shè)計和特點

JGxxx旋轉(zhuǎn)機械手主要由底座、旋轉(zhuǎn)軸系、旋轉(zhuǎn)臂、夾持器和旋轉(zhuǎn)油缸組成。如圖1所示。底座全由型材組合焊接而成，提供整個部件的支撐及其與拖車的連接接口；旋轉(zhuǎn)軸系由旋轉(zhuǎn)軸和滑動軸承座等組成。旋轉(zhuǎn)軸靠花鍵實現(xiàn)扭矩的傳遞，滑動軸承座采用國標滑動軸承座，由螺栓連接固定在底座上；旋轉(zhuǎn)臂也全由型材組合焊接而成，傳遞扭矩，實現(xiàn)載物的旋轉(zhuǎn)。夾持器由三個油缸、兩個夾持臂、滑動塊和夾持器夾組成。一個端部法蘭連接油缸推動滑動塊直線運動，另兩個單耳板連接油缸依據(jù)杠桿原理控制兩夾持臂的開合，夾持鉆桿時，兩油缸推動兩夾持臂閉合，另一油缸推動滑塊夾緊鉆桿，靠摩擦力夾緊鉆桿實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。各旋轉(zhuǎn)連接點由銷軸連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；旋轉(zhuǎn)油缸靠中部法蘭安裝在底座上，由花鍵與旋轉(zhuǎn)軸連接，提供旋轉(zhuǎn)扭矩。

2設(shè)計計算

2.1JGxxx旋轉(zhuǎn)機械手夾持器計算對于外徑245mm，重量3000kg的鉆桿，當初始接鉆桿時候受力分析如下：考慮安全系數(shù)1.67，分配到單個夾持機構(gòu)的力G為25.2kN。圖2為鉆具夾持器水平狀態(tài)受力分析。根據(jù)力平衡：F1＝G＝2.52×104N圖3為鉆具夾持器較高位置的受力分析。取摩擦系數(shù)μ＝0.1，故油缸一的推力F2為。

2.2JGxxx旋轉(zhuǎn)機械手軸系計算分析由于擺動油缸花鍵接口的尺寸限制，軸系的最小直徑為112mm，軸系的結(jié)構(gòu)，受力與約束施加如圖2所示。簡化了軸的結(jié)構(gòu)，軸上花鍵部分以花鍵的最小直徑代替?？紤]花鍵材料抗拉強度極限不低于600MPa，初步選用35CrMn。圖5為2009年8月5日受力分析的實驗記錄。圖7為不同條件下的等效應(yīng)力實驗記錄。根據(jù)上述結(jié)論，按第三強度理論，做彎扭合成強度校核計算，按照對稱循環(huán)應(yīng)變力時的許用彎曲應(yīng)力，[σ-1]＝70MPa，σca＝13.1MPa≤[σ-1]，滿足強度條件。按照剛度要求較嚴格的軸取許用撓度為：[y]＝0.0002×h＝0.274mm式中：h為兩個軸承間距，根據(jù)文獻[9]結(jié)合產(chǎn)品工作條件，取h＝1370mm。變形量y＝0.02mm≤[y]，滿足條件。由于軸的使用轉(zhuǎn)速很小，應(yīng)力應(yīng)變頻率低，不需要校核軸的疲勞強度。

2.3花鍵的連接強度計算以傳遞扭矩較大、直徑最小的擺動油缸連接處校核，按照靜連接條件，以工作面上的壓力進行條件性的強度計算，計算公式如下：

2.4JGxxx旋轉(zhuǎn)機械手軸承座受力計算選用鉛青銅材料，材料牌號為zCuPb10Sn10或zCuPb30，按照變載荷和沖擊載荷條件驗算。簡化軸承載荷，由鉆具重量3000kg與旋轉(zhuǎn)機械手旋轉(zhuǎn)部件考慮工作安全情況，根據(jù)文獻[9]取安全系數(shù)1.67。再考慮特殊情況，如鉆具中裝滿干性的重泥漿等特殊情況，將安全系數(shù)再擴大1.6072倍，如此再加載到兩軸承上。根據(jù)文獻[9]得單端軸承載荷為：結(jié)論：設(shè)計滿足規(guī)范條件和工作中的使用要求。

作者：鄔靜單位：中國石油川慶鉆探川西鉆探公司

機械手設(shè)計論文:基于MCGS的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹了西門子S7-200可編程控制器在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)。在MCGS和PLC通信的基礎(chǔ)上，通過計算機控制PLC，實現(xiàn)了對機械手的控制，實踐證明，系統(tǒng)具有界面友好，易于操作，運行，能直觀的檢驗機械手控制系統(tǒng)的運行情況等優(yōu)點。

MCGS即“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”，是為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領(lǐng)域服務(wù)的通用計算機系統(tǒng)軟件，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出等功能為一體，具有操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。是國內(nèi)使用較多的國產(chǎn)通用組態(tài)軟件[1]。

可編程控制器（PLC）是以微處理技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器[2]。它在工業(yè)現(xiàn)場中對機械手能起到有效而靈活的控制。機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或工具進行操作的自動化裝置[3]。文章利用PLC控制機械手用于抓取和搬運工件。上位機采用MCGS監(jiān)控控制界面，方便直觀的獲取和存儲機械手模型位置和狀態(tài)信息。該機械手具有一定的通用性和開放性，即能用于實際生產(chǎn)，又能方便實驗教學(xué)，因此，通過MCGS開發(fā)和研究機械手具有重要的實際意義。

1 機械手控制系統(tǒng)PLC設(shè)計

1.1 機械手控制系統(tǒng)的控制要求

機械手具有啟停、移動和抓放功能。啟動和停止功能由操作人員通過啟停按鈕進行控制，移動和抓放功能則由相應(yīng)的電磁閥控制。對應(yīng)的電磁閥有六個，分別是左移、右移、上移、下移、抓緊和放松閥。若要機械手動作只要控制相應(yīng)的電磁閥動作即可。機械手的動作可由操作人員現(xiàn)場手動操作，也可根據(jù)工藝需要預(yù)先編好程序，啟動后按照程序動作。

1.1.1 機械手的工作過程

機械手搬運工件，要求機械手按照工作過程完成上移、下移、夾緊、放松、左移、右移多種動作，按下啟動按鈕SB1后，機械手工作過程如圖1所示。

1.1.2 機械手工作方式

該機械手控制系統(tǒng)設(shè)有手動、單周期、單步、連續(xù)和回原點5種工作方式。

1) 在手動工作方式下，六個按鈕分別控制機械手的上移、下移、左移、右移、夾緊、放松。

2) 單周期工作方式下，按下啟動按鈕SB1，機械手完成一個周期工作后，返回并停留在原始位置。

3) 單步工作方式下，按一下啟動按鈕、系統(tǒng)轉(zhuǎn)到下一步，完成該步任務(wù)后停止工作，再按啟動按鈕，再往前走一步，此方式常用于系統(tǒng)調(diào)試。

4) 連續(xù)工作方式下，機械手從原始位置開始，工作一個周期后，會自動連續(xù)循環(huán)。按下停止按鈕SB2，機械手在完成一個周期后，回到原始位置，然后停止。

1.2 PLC輸入輸出端子分配

該機械手控制系統(tǒng)的控制為純開關(guān)控制，共需要17個輸入量，6個輸出量。

系統(tǒng)選用性價比比較高的西門子S7-200 PLC，CPU226，其I/O點為24輸入，16輸出，可以滿足系統(tǒng)要求。

機械手控制系統(tǒng)的PLC外部接線圖如圖2所示。

2 基于MCGS的機械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 MCGS組態(tài)軟件

MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性[4]。五部分功能如圖3所示。

MCGS能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、曲線和報表輸出等功能，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的特點。

使用MCGS組件新工程一般按照以下步驟：1）工程項目系統(tǒng)分析；2）建立新工程；3）設(shè)計菜單基本體系；4）制作動畫顯示畫面；5）編寫控制流程程序；6）完善菜單按鈕功能；7）編寫程序調(diào)試工程；8）連接設(shè)備驅(qū)動程序；9）工程完工綜合測試。

2.2 機械手監(jiān)控系統(tǒng)建立

弄清系統(tǒng)的控制流程和所要監(jiān)控的對象特征后，明確監(jiān)控要求，分析工程中的輸出通道與軟件中實時數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，然后建立一個文件名為“機械手控制系統(tǒng)”的MCGS工程，如圖4所示。

2.3 動畫制作

利用繪圖工具中的對象元件庫，來完成機械手靜態(tài)畫面設(shè)計。繪圖效果如圖5所示。

2.4 定義數(shù)據(jù)變量

實時數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。本工程定義的數(shù)據(jù)對象見圖6所示。

2.5 機械手監(jiān)控系統(tǒng)動畫連接

畫面編輯好后，需要將畫面與前面定義的數(shù)據(jù)對象即變量關(guān)聯(lián)起來，以便運行時，畫面上的內(nèi)容能隨變量變化，逼真的模擬機械手動作。需要進行按鈕的動畫連接、指示燈的動畫連接。為實現(xiàn)機械手上下左右動作，靜態(tài)畫面中機械手、上工件、下滑竿等部分需要隨動作進行水平移動，上工件要做垂直移動，左滑竿做水平縮放，下滑竿做垂直縮放。

2.6 連接西門子設(shè)備

在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。設(shè)備窗口以對象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。通過通道連接，向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進行控制運算和流程調(diào)度，實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制。

使用MCGS組態(tài)軟件和PLC通訊之前，必須保障通訊連接正確，通訊電纜使用西門子標準PC\PPI電纜[5]。機械手控制系統(tǒng)設(shè)備連接如圖所示。設(shè)置成功后在子設(shè)備的通道連接中通訊標志位為1，則說明連接成功，否則需要重新設(shè)置設(shè)備的屬性[6]。設(shè)備管理如圖7所示。

2.7 利用定時器和腳本程序?qū)崿F(xiàn)機械手的定時控制

進行組態(tài)設(shè)計時，控制策略是必不可少的，在MCGS運行策略窗口中對循環(huán)策略進行了組態(tài)設(shè)置，該策略包含定時器構(gòu)件與腳本程序構(gòu)件。

根據(jù)機械手控制要求，機械手完成一個循環(huán)回到初始位置需44S，因此設(shè)置定時器的定時時間為44。具體設(shè)置如圖8所示。

機械手程序分定時器控制、運行控制和停止控制三部分，定時器部分實現(xiàn)啟動按鈕和復(fù)位按鈕對定時器的控制功能。

1）定時器部分相應(yīng)的腳本程序：

IF 啟動按鈕=1 AND 復(fù)位按鈕=0 THEN

定時器復(fù)位=0

定時器啟動=1'如果啟動按鈕=1且復(fù)位按鈕=0，則啟動定時器工作

ENDIF

IF 啟動按鈕=0 THEN

定時器啟動=0 '只要啟動按鈕=0，立刻停止定時器工作

ENDIF

IF 復(fù)位按鈕=1 AND 計時時間>=44 THEN

定時器啟動=0 '如果復(fù)位按鈕=1

'只有當計時時間>=44s，即回到初始位置時，才停止定時器工作

ENDIF

2）停止控制部分對應(yīng)的腳本程序：

IF 定時器啟動=0 THEN

下移閥=1

上移閥=1

左移閥=1

右移閥=1

ENDIF

MCGS通過設(shè)備驅(qū)動程序從現(xiàn)場設(shè)備獲取實時數(shù)據(jù)，一方面以圖形的方式直觀地顯示在上位機上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給現(xiàn)場硬件設(shè)備，對執(zhí)行機構(gòu)實施控制或調(diào)整控制參數(shù)。

3 結(jié)論

根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的要求，利用組態(tài)技術(shù)和PLC構(gòu)成了簡單地機械手控制系統(tǒng)。通過MCGS實現(xiàn)了對機械手動作狀態(tài)的實時監(jiān)控，上位機具有便捷的計算、圖形、控制、強大的數(shù)據(jù)管理能力，操作人員可以通過上位機畫面直觀方便的了解設(shè)備的運行情況，大大提高工作者的工作效率。下位機可編程控制器具有優(yōu)良的控制驅(qū)動能力。系統(tǒng)工作，控制方案還具有較強的通用性，本機械手控制系統(tǒng)的研制無論對改進PLC課程的教學(xué)和組態(tài)軟件課程的教學(xué)還是傳統(tǒng)機械手系統(tǒng)的改造，都具有很重要的現(xiàn)實意義

機械手設(shè)計論文:基于PLC的教學(xué)型氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：根據(jù)教學(xué)需求，為提高學(xué)生解決工程問題的能力，設(shè)計了基于PLC的教學(xué)型氣動機械手控制系統(tǒng)。首先明確氣動機械手的動作要求及工作循環(huán)，然后進行PLC輸入/輸出端子的地址分配，針對不同工作方式在編程軟件中設(shè)計能完成規(guī)定功能的程序。結(jié)果表明，基于PLC的控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強、編程直觀簡單、性高且易于安裝維護等優(yōu)點，故PLC工控機必能在“中國制造2025”制造強國戰(zhàn)略的實施中得到廣泛應(yīng)用與大力發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機械手；PLC；自動控制

0.前言

機械手作為一種控制對象，可以替代工人完成多種工作?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)車間，多配有機械手。它可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度，進而提高生產(chǎn)效率。教學(xué)型機械手是針對教學(xué)所需研制的典型機器人設(shè)備，有兩個方面的要求。首先在硬件方面要求能讓學(xué)生自己組裝該設(shè)備，能正確連接電路與氣路，所涉及的知識面要適合工科學(xué)生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學(xué)習(xí)更容易接受，學(xué)后能按照要求編寫控制程序。本文在提高教學(xué)效果為目的的前提下，以能夠?qū)崿F(xiàn)一定工序的搬運機械手模型為研究對象，設(shè)計其控制系統(tǒng)。

1.機械手工作過程

機械手的動作過程如圖1所示，用來將工件從一個工作臺搬到另一個工作臺。

機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，根據(jù)使用場合不同控制方式一般分為手動操作與自動操作兩種。手動操作主要為安裝調(diào)試或出現(xiàn)故障需要維修時使用，實現(xiàn)對各執(zhí)行動作單獨用按鈕進行操作，通常是設(shè)計過程中必須考慮的控制方案。而自動操作是以PLC控制器為基體，按預(yù)先編寫的程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，自動操作又分為連續(xù)自動操作和單周期自動操作。以單周期自動操作為例，機械手的動作循環(huán)依次是：從原點前伸――下降――夾緊――上升――右轉(zhuǎn)――下降――放松――上升――左轉(zhuǎn)――縮回至原點10個動作。 其中上升、下降、前伸、縮回、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等8個動作，每個動作末都會觸發(fā)各自的限位開關(guān)，由限位開關(guān)去控制電磁閥通斷以順利執(zhí)行下一個動作。而放松和夾緊兩個動作則是通過設(shè)置時間延時實現(xiàn)和下一個動作的順利銜接。其具體動作過程如圖2所示。

2.輸入輸出端子點數(shù)

C械手的控制系統(tǒng)采用了西門子公司生產(chǎn)的整體式S7-200CPU226式PLC。動作②、④和動作⑥、⑧不會同時出現(xiàn)，故只占用可編程控制器的兩個輸入點而不是4個輸入點。在動作②執(zhí)行前需先判斷左工作臺上有無工件，故用于檢測有無工件的光電開關(guān)需占用PLC一個輸入點。機械手左右轉(zhuǎn)動時的左右限位開關(guān)各占用PLC一個輸入點。啟動與停止按鈕各占用PLC一個輸入點。另外，因為存在3種工作方式，故還需在PLC中配置3個用于工作方式選擇的輸入點。在手動控制方式中，因為存在4種不同的加載方式――前與后、左與右、上與下、夾與松，故需在PLC中配置4個用于加載方式選擇的輸入點。而控制器需要輸出用于控制伸出、縮回、下降、上升、夾緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原點指示燈狀態(tài)的指令，故此控制系統(tǒng)共使用了14個輸入量和8個輸出量。

3.整體程序設(shè)計

機械手整體程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。若選擇手動操作工作方式，I0.7斷開，接著執(zhí)行手動操作程序。手動操作程序可以獨立于自動操作程序，可以另行設(shè)計。在單周期工作方式和連續(xù)操作方式下，可以執(zhí)行自動操作程序。在使用自動操作方式時，中間繼電器M1.0接通。手動操作方式和自動操作方式，都用同樣的輸出繼電器。

系統(tǒng)調(diào)試時將各I/O端子和實際控制系統(tǒng)的按鈕、所需控制設(shè)備正確連接，完成硬件安裝。機械手PLC可編程控制器編程軟件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整體程序和各個子程序在編程軟件中編輯，機械手正常工作時程序存在存儲卡中，若需要修改程序，先將PLC設(shè)定在STOP狀態(tài)，運行編程軟件，打開機械手的控制程序，即可在線調(diào)試，也可用編程器進行模擬，整個過程簡單直觀。

結(jié)語

PLC是面向用戶專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機，可以使用戶獲得高性能、高性的同時享受高質(zhì)量和低成本。本文通過對搬運機械手應(yīng)用場合及工作過程的分析，總結(jié)出使用PLC完成系統(tǒng)控制任務(wù)的流程。即首先明確機械手的動作要求及工作循環(huán)，然后針對其不同的操作方式進行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，針對其不同的工作方式在編程軟件中設(shè)計能實現(xiàn)具體功能的整體程序和各子程序。詳盡的設(shè)計過程可為從事工業(yè)控制的工程人員提供一定的參考。

機械手設(shè)計論文:基于PLC的上下料機械手設(shè)計探析

摘 要：近年來，隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和用人成本的增加，礦山生產(chǎn)中的上下料正向機械化、自動化轉(zhuǎn)型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業(yè)的特征被礦山企業(yè)應(yīng)用到上下料的生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)效率。本文討論了上下料機械手的設(shè)計方案，確定了基于PLC控制的機械手的關(guān)鍵參數(shù)，在明確控制方案的前提下，設(shè)計了機械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件，為PLC控制機械手在上下料生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：機械手；PLC；ADAMS；上下料；自動化

引言

機械手是在工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的自動化設(shè)備，它通過模仿人的手臂，按照設(shè)定的路徑等參數(shù)進行物件的抓取、搬運和其他操作。它主要包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分，控制系統(tǒng)一般采用DSP、單片機、PLC等芯片，時時控制各電機運動。驅(qū)動機構(gòu)主要包括各種電機，執(zhí)行機構(gòu)主要是仿生手臂用來進行相關(guān)的操作。由于要進行較為復(fù)雜的操作需要多關(guān)節(jié)進行協(xié)同，所以多自由度機械的控制是基礎(chǔ)，一般采用六自由度或四自由度的結(jié)構(gòu)，自由度越多，其靈活性越大、操作范圍越廣。

自動上下料操作是指在工廠和數(shù)控加工中周期性的給機器和機床上下料。由于此項操作重復(fù)性強、危險性高、工作強度大，已經(jīng)不再適合手工操作，于是自動化的機械手取而代之。機械手可以快速地長時間作業(yè)，定位精度高，環(huán)境適應(yīng)性很好，尤其是其抓舉運輸可以超過人力很多，便于工業(yè)生產(chǎn)，所以對機械手進行研究并使其應(yīng)用到上下料生產(chǎn)中十分必要。

1總體設(shè)計

機械手的設(shè)計方案如圖1所示，該方案主要由HMI、PLC、驅(qū)動系統(tǒng)及機械手本體四個部分組成。

1.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

機械手的機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要確定機械手自由度、行程和速度參數(shù)，電機選型和各軸的轉(zhuǎn)動方式。

之所以為機械手添加6自由度，是為了保障機械手可以抵達任意位置，其中位置自由度3個，姿態(tài)自由度3個。通過簡化分析，滿足基本的上下料操作，機械手設(shè)計包括4軸4自由度，分別是X軸、Y軸、Z軸和RZ軸。機械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。機械手沿X軸進行水平方向的左右移動；沿Y軸進行水平方向的前后移動；沿Z后軸進行豎直方向移動；沿RZ軸可繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

機械手的運動需要電機進行驅(qū)動，它的主要動作特性與電機參數(shù)息息相關(guān)，所以對于電機的選型是必要的。一般而言，電氣式機械手常用的電機類型有伺服電機和步進電機。為使機械手能夠快速移動，要求軸電機的額定轉(zhuǎn)速要高、額定輸出轉(zhuǎn)矩還應(yīng)較大。因此，X、Y、Z軸常選用伺服電機。但是對于RZ軸，由于其負載較小，精度要求較高，所以可以選擇簡單實用的步進電機。

電機驅(qū)動的傳動方式有多種，常見的機械手傳動方式包括同步帶傳動、滾珠絲桿傳動和齒輪齒條傳動。其中同步帶傳動是應(yīng)用較多，其簡單易用，保養(yǎng)方便；滾珠絲桿傳動由于精度高、噪音低，常用于高精度的傳動場合；齒輪齒條傳動的特點是動力足、壽命長，但是噪音較大。綜合以上多種傳動方式，從精度要求和成本考慮，本文設(shè)計的機械手的X軸和Y軸采用同步帶傳動，Z軸采用齒輪齒條傳動。

1.2控制系統(tǒng)設(shè)計方案

機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3所示，HMI與PLC進行數(shù)據(jù)交換，向PLC傳送數(shù)據(jù)和運動控制命令的同時接收傳回的數(shù)據(jù)，并進行時時顯示。

2機械手關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

綜合評價機械手的行動能力將以較大速度、負載能力、位置偏差閾值等參數(shù)為標準，這就需要確定電機的額定轉(zhuǎn)速、電機的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑等。由于機械手X軸的受力最為復(fù)雜，現(xiàn)以X軸為例來詳細分析關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定過程，隨后可用相同的方法確定其他軸的參數(shù)。

首先根據(jù)經(jīng)驗選擇一個伺服電機，經(jīng)計算滿足設(shè)計要求后，進行下一處電機的確定。首先畫出X軸的示意圖，如圖4所示。通過分析，可以計算出X軸負載的轉(zhuǎn)動慣量JL，X軸較大移動速度Vmax，機械手加速過程中電機的較大輸出扭矩Tmax等參數(shù)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動器的選擇、RZ軸步進驅(qū)動器的選擇、PLC及擴展單元的選擇等硬件的設(shè)計，由于篇幅所限，只以PLC的選擇為例進行說明。

PLC是可編程邏輯控制器，通過數(shù)字或模擬輸入輸出控制整個機械生產(chǎn)過程。上下料機械手需要控制3個伺服電機和1個步進電機，所以PLC選型時應(yīng)具有4路高速脈沖輸出功能。

本例選擇CP1H-Y20DT-D型PLC作為機械手的控制器。根據(jù)控制要求給各個控制對象分配IO地址，這樣便于PLC尋址和控制被控對象。由于各個軸上具有光電開關(guān)、減速器等裝置，需要對其進行IO地址的分配。當上下料開始時，PLC輸出數(shù)字信號令錠床開始加工，當銳床加工結(jié)束后，PLC收到信號，繼而進行下料操作。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC的高速計數(shù)器功能和串口通訊功能都將被實用，所以應(yīng)先編程設(shè)置PLC，如D5所示。

在設(shè)置完P(guān)LC具體參數(shù)后，需要明確機械手的上下料過程即取料、上料及下料階段，通過圖6表示機械手上下料全過程。

機械手先從原點P0向P1點運動，當?shù)竭_P1點后機械手松開，向下運動到P2點，夾爪閉合抓取工件后回到P1點；機械手夾持著工件向P3點運動，在P3點向下運動至P4上料，然后機械手運動到P3點，再運動到P5點，機械手給銑床上料完成；當加工完成后，機械手經(jīng)過P6-P7-P6-P8等點的操作后，完成下料，并將工件放置在傳送帶上，其運動回P0點循環(huán)進行下一輪操作。

控制程序方案包括回原點、示教、軌跡規(guī)劃和軌跡執(zhí)行四個部分；回原點操作意在令機械手上電后或者上下料結(jié)束后回到其坐標原點；示教是示教出空間上的坐標點，并存儲到PLC的內(nèi)存區(qū)；軌跡規(guī)劃是指定軌跡上的點與示教庫中點的關(guān)系，通過軟件實現(xiàn)軌跡與示教庫信息的吻合，保障運動精度；軌跡執(zhí)行部分用來設(shè)置運動時的軌跡的編號、減速比、時間量等參數(shù)。

5結(jié)論

本文設(shè)計了基于PLC控制的機械手，確定了機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析了機械手三個軸的關(guān)鍵參數(shù)，明確了機械手控制系統(tǒng)硬件部分的元器件選型，提出了上下料過程中的控制程序基本思路，明確了回原點、示教、軌跡規(guī)劃以及軌跡執(zhí)行等程序方案。相信隨著自動化領(lǐng)域的不斷進步，基于PLC控制的機械手將會在度等方面實現(xiàn)新的突破，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工廠的上下料生產(chǎn)中，逐漸代替人工操作。

機械手設(shè)計論文:基于PLC控制的機械手設(shè)計

【摘 要】本設(shè)計采用PLC控制技術(shù)和氣動技術(shù)，通過PLC控制器控制電磁閥的順序開啟，實現(xiàn)機械手的運動、控制工件的抓取和卸料，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。應(yīng)用PLC控制機械手能實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】后定位器機械手；氣動技術(shù)；機械結(jié)構(gòu)；PLC控制

一、緒論

日照某公司沖壓車間，現(xiàn)有一臺xxx型沖床，專門用于生產(chǎn)后定位器部件。目前生產(chǎn)采用手工上料、手工壓緊、沖壓后半手工卸料。這種生產(chǎn)方式導(dǎo)致了該沖壓件的生產(chǎn)質(zhì)量很大程度上取決于操作人員的技術(shù)水平，且存在較大的安全隱患。

根據(jù)山東水利職業(yè)學(xué)院和該公司沖壓車間合作，進行后定位器部件彎曲沖壓沖床的自動上料技術(shù)改造。解決該沖床的，生產(chǎn)效率低，安全防護差，人員依賴強的缺點，實現(xiàn)設(shè)備的全自動，高效，安全運行的目的。

二、后定位器機械手系統(tǒng)的總體思路

（一）主要技術(shù)參數(shù)

后定位器機械手采用光機電氣一體化技術(shù)，針對后定位器部件彎曲組裝工序進行的技術(shù)改造，實現(xiàn)工件毛坯的自動上料與卸料。通過調(diào)研現(xiàn)場沖壓機床的安裝布局，發(fā)現(xiàn)后定位器機械手的結(jié)構(gòu)除滿足沖床的工作行程外，還要滿足現(xiàn)有的模具空間要求。

后定位器機械手的主要要求如下：

工件不允許被磁化。

工件表面不允許被劃傷。

保障坯料被放到正確的沖壓位置。

生產(chǎn)效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，約為目前純?nèi)斯ど狭喜僮鞯?.46倍。

運行安全，能耗低，噪音小，綠色無污染。

實現(xiàn)后定位器機械手的自動控制。

（二）后定位器機械手系統(tǒng)整體框架

后定位器機械手主要由控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，執(zhí)行機構(gòu)和檢測裝置四大部分構(gòu)成。其中，執(zhí)行機構(gòu)分別是完成工件上料、送料、卸料的帶有接料盒的氣動導(dǎo)軌、氣動真空吸附機械手、提升板和推板。本設(shè)計是由氣壓來進行驅(qū)動?？刂葡到y(tǒng)是以PLC為核心的控制器。控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，保障了系統(tǒng)的精度。

綜上所述，機械手控制系統(tǒng)整體框圖1如下：

（三）后定位器機械手系統(tǒng)總體設(shè)計

當安裝在沖床上的凸模開始向上運動做返回行程時，上料裝置的氣動吸盤迅速從帶有送料板的氣動導(dǎo)軌上吸取坯料，然后氣動裝置，沿雙向?qū)к壙焖龠\動，通過行程開關(guān)使坯料能夠到達沖床模具的沖壓位置。吸盤將坯料放到?jīng)_壓模具的凹模上時，通過六個定位銷進一步定位，并且，吸盤運動到使坯料接觸凹模上表面后才松開坯料，這樣保障了坯料能夠放平，地定位。在坯料到達模具沖壓位置之前，安裝在送料裝置前端的卸料裝置已將上一個已加工好的工件推到卸料槽內(nèi)，工件靠重力滑落到工件箱內(nèi)，自行完成卸料。

系統(tǒng)的主要特點如下：

1.采用無損、無磁化的柔性多功能真空吸盤抓料手；

2.采用雙軌導(dǎo)向、重力落料的自動定位貯料裝置；

3.采用高精度的雙導(dǎo)軌導(dǎo)向機構(gòu)，確保取料、送料和放料的精度；

4.通過取料板上的特制模腔與貯料裝置的配合，實現(xiàn)料片的連續(xù)、、單一的提取。

5.系統(tǒng)具有自動檢測料片有無報警裝置，并且可以實現(xiàn)定位。

（四）后定位器機械手系統(tǒng)組成

后定位器機械手主要由機械機構(gòu)與控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖2所示。機械機構(gòu)主要包括取料裝置與卸料裝置，如圖3所示。控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)，通過自動控制裝置，使各種裝置按照一定的順序和時間間隔發(fā)生動作?？刂扑土系臅r間與沖壓行程之間的滿足規(guī)定的協(xié)調(diào)關(guān)系，保障一定的生產(chǎn)率和運動時間的性，不允許有超前或遲滯現(xiàn)象。

1.上料機構(gòu)設(shè)計方案

后定位器機械手的送料機構(gòu)主要由取料裝置與送料裝置組成。其中，取料機構(gòu)用來完成坯料的單一提取，送料裝置完成坯料的吸取、坯料的輸送與定位工作。取料裝置完成每次從坯料盒中自動取下一件坯料，并通過導(dǎo)軌傳動和行程開關(guān)的作用，將坯料停放在吸盤的工作位置。然后送料過程開始，通過送料裝置，將坯料輸送到?jīng)_壓工作位置，為沖做好準備。如圖4所示。

2.取料裝置設(shè)計方案

取料裝置，主要由氣動裝置、坯料盒（貯料裝置）、接料盤、導(dǎo)軌、限位裝置等部分組成。通過取料裝置把料片送到周轉(zhuǎn)工位。

由于料片的不規(guī)則，最終確定了取料裝置的機械設(shè)計。它主要由坯料盒（貯料裝置）和帶接料盤的取料板兩部分組成。

三、PLC控制器的設(shè)計原則及其選型

（一）PLC的型號確定

本文中機械手控制系統(tǒng)選用的是S7―200系列中的CPU224的型號。該型號PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為14入10出共24個數(shù)字量I/O點，可以很好的滿足本設(shè)計控制系統(tǒng)中的11個輸入9個輸出共20個數(shù)字量的要求。

（二）PLC控制器的I/O點分配

根據(jù)機械手動作流程分析及PLC的I/O點數(shù)，可以確定電氣控制系統(tǒng)的I/O點分配，根據(jù)I/O點分配表可以畫出PLC的外部接線圖如圖6所示。

（三）后定位器機械手控制程序設(shè)計

1.控制流程圖設(shè)計

采用PLC對機械手進行控制，首先要明確機械手的工作要求和運動規(guī)律，當機械手的動作流程發(fā)生改變時，只需要改變PLC程序即可實現(xiàn)。按照機械手的控制要求，合理畫出機械手的運動流程。設(shè)定取料板到達坯料盒下方的位置（進行取料的位置）為取料終止位、取料板到達上料手取料的位置為取料初始位、上料手要進行下降吸料的位置為上料初始位、上料手要進行下降放料的位置為上料終止位、上料手上升停止的位置為上限位、上料手下降停止的位置為下限位，后定位器機械手控制主流程圖如圖7所示。

2.PLC程序設(shè)計

后定位器機械手控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計如圖8所示，其中包括取料板取料復(fù)位子程序，上料手復(fù)位子程序，上料手送料子程序。

四、結(jié)論

本文綜合利用光機電氣數(shù)一體化技術(shù)，采用數(shù)字化軟件及虛擬樣機設(shè)計技術(shù)和PLC控制技術(shù)，完成了后定位器機械手系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)。設(shè)計開發(fā)的后定位器機械手系統(tǒng)具有技術(shù)含量高，制造成本低，設(shè)備的附加成本低，安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。通過后定位器機械手的現(xiàn)場安裝調(diào)試，無需對現(xiàn)有的車間設(shè)備布局進行調(diào)整，無需對現(xiàn)有的沖壓機床設(shè)備進行結(jié)構(gòu)改變，提高了生產(chǎn)率，實現(xiàn)了沖壓生產(chǎn)的自動化水平，提高了定位精度，降低了企業(yè)制造成本。

作者簡介：

尹盛蓮（1979-）女、四川廣安人、碩士研究生、講師、山東水利職業(yè)學(xué)院、主要從事機電類教學(xué)工作。

國磊（1979-）男、山東淄博人、碩士研究生、講師、山東水利職業(yè)學(xué)院、主要從事機電類教學(xué)工作。

機械手設(shè)計論文:自動卸車機械手行走機構(gòu)設(shè)計

[摘 要]通過設(shè)計一個沿固定軌道自動行走，并在行走過程中檢測貨車位置和貨車中貨物的碼垛層數(shù)和位置。根據(jù)檢測結(jié)果，將貨物夾取并沿軌道輸送到指定位置。從而實現(xiàn)自動卸貨的功能。

[關(guān)鍵詞]自動卸車；行走機構(gòu)

1 引言

在物流}儲企業(yè)中，物料存儲、自動分揀、自動輸送、自動識別、自動跟蹤等設(shè)備都已實現(xiàn)了自動化，但通過貨車運輸?shù)呢浳镌谛敦浬希具€是靠人工手動或人工輔助設(shè)備如叉車等來實現(xiàn)。這不僅增加了勞動者的勞動強度，而且嚴重影響了工作效率。通過調(diào)研和分析，對于一些規(guī)范的貨物，如貨物外觀尺寸、貨物包裝方式和包裝材料、貨物重量、貨物允許承受的壓力等條件相對規(guī)范時，可設(shè)計一種自動卸車的機械手來實現(xiàn)貨物卸車的自動化。從而提高工作效率和降低勞動強度。

2 方案設(shè)計

為了實現(xiàn)自動沿軌道行走、自動檢測和自動夾取貨物，自動卸車機械手需要有行走機構(gòu)、檢測桿、夾取機構(gòu)以及其它一些安全保障的部件。設(shè)計完成后的自動卸包機械手結(jié)構(gòu)如圖1所示：

自動卸車機械手的工作流程為：自動卸車機械手的行走機構(gòu)（1）在往前行走的過程中，檢測桿（2）通過檢查，判斷物料的層數(shù)和位置，夾取機構(gòu)（3）夾取物料后，上升使物料與下層脫離，脫離后自動卸車機械手向后行走，行走到設(shè)定位置后，將物料下降釋放到輸送通道上。其動作以水平和豎直方向的直線運動為主。其設(shè)計難度主要在于各個關(guān)鍵零件的力學(xué)分析和傳動原件的參數(shù)選擇。本文將著重論述行走機構(gòu)的設(shè)計分析過程和計算過程。

3 行走機構(gòu)設(shè)計

行走機構(gòu)在自動卸車機械手的作用是行走到物料位置，夾取煙包后將煙包沿軌道輸送到設(shè)定的位置。在現(xiàn)代工業(yè)中，類似機構(gòu)最常用于生產(chǎn)車間內(nèi)的桁車。在設(shè)計過程中，首先確定減速電機的類型。選擇類型時首先對比了K系列斜齒輪-傘齒輪減速電機和S系列雙級斜齒輪-蝸輪蝸桿減速電機的優(yōu)缺點。兩種電機在外形和安裝方式上很接近，主要區(qū)別在于K系列減速電機傳動效率不低于95%，而且可承受較大的徑向載荷，而且可承受不大于徑向力15%的軸向載荷。而S系列減速機傳動效率較大可達到89%，可承受不大于徑向力10%的軸向載荷。另外K系列減速電機價格明顯高于S系列減速電機。綜合考慮設(shè)備運行工況，選擇K系列斜齒輪-傘齒輪減速電機作為行走機構(gòu)的動力電機。

行走機構(gòu)在設(shè)定的軌道上，通過計算，選定了GB/T11264-1989 15Kg/m的輕軌作為軌道，使用主動輪和從動輪的形式，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

由圖可以看出，動力通過齒輪傳動，將動力傳動到主動輪上。圖中件6傳感器支架安裝了三組對射式的傳感器。在之前的描述中，自動卸包機械手需要在行走過程中檢測按圖6碼垛的煙包。自動卸包機械手運行在帶有頂棚的室外，由于灰塵等原因可能出現(xiàn)誤檢測，特別是誤檢查車頭為需要夾取的煙包，所以在設(shè)備中還增加了激光測距。通過對射式傳感器和激光測距的雙重檢測，確保了設(shè)備的安全運行。

4 行走機構(gòu)運行阻力計算

行走機構(gòu)的設(shè)計過程類似于起重設(shè)備的設(shè)計，設(shè)計時需要進行運行阻力計算、電機參數(shù)計算、制動器參數(shù)計算、運行打滑驗算、緩沖器選型計算等。計算在初步方案完成的前提下進行，已知全自動卸車機械手及貨物總質(zhì)量、運行速度、輪直徑、輪軸直徑為、機械手迎風(fēng)面積、機械手效率為、風(fēng)壓qⅠ= 90N/m2、qⅡ=150N/m2、qⅢ=600N/m2、最小輪壓。

卸包機械手在直線軌道上穩(wěn)定運行的靜阻力由摩擦阻力，坡度阻力與風(fēng)阻力組成。

（1）摩擦阻力

電動機所配制動器型號：BMG2；Mmax=20N?m。

5.4 運行打滑驗算

自動卸包機械手類似于起重機，為了使自動卸包機械手運行時地啟動或制動，防止出現(xiàn)驅(qū)動輪在軌道上的打滑現(xiàn)象，避免車輪打滑影響起重機的正常工作和加劇車輪的磨損，應(yīng)分別對驅(qū)動輪作啟動和制動時的打滑驗算。

（1）啟動時按下式驗算

7 結(jié)束語

本文中所設(shè)計的行走機構(gòu)已成功應(yīng)用在卷煙廠的自動卸車機械手中。該設(shè)計過程可為類似的產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

機械手設(shè)計論文:基于“慧魚”模型的工業(yè)機械手設(shè)計

摘 要：本文設(shè)計的工業(yè)機械手以慧魚模型為基礎(chǔ)，它能替代部分人工操作；能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的時間、程序和維度來完成工件的傳送與裝卸；能制作必要的器具進行焊接與裝配，從而大大改善工人勞動量，顯著地提高生產(chǎn)率，加快工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化步伐。

本設(shè)計使用ROBO Pro（慧魚）軟件控制ROBO TX控制器，實現(xiàn)對基于慧魚模型的機械手的操作控制。通過ROBO Pro程序可實現(xiàn)對機械手的控制，改變程序就可實現(xiàn)不同的控制要求。

1.設(shè)計題目的提出及主要任務(wù)

經(jīng)過歷史的考驗，機器人對我們的生產(chǎn)和生活越來越重要。單位時間內(nèi)的次品率也越來越低，同時我們工作更加輕松，只需控制好操作面板，也就是機器人的控制系統(tǒng)。與此同時，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)更加，這樣可以顯著節(jié)省成本開支。鑒于其重要作用，因此它被列入很多國家的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。同時，機器人是一門綜合了機電子、電子計算機及仿生人工智能等諸多專業(yè)的新興學(xué)科。

本次設(shè)計以現(xiàn)有的工業(yè)機械手為基礎(chǔ)，依靠慧魚模型，設(shè)計以傳送、運輸為主要功能的新型工業(yè)機械手。

2.機械手的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手一般由執(zhí)行、驅(qū)動、控制等機構(gòu)3部分組成。

（1）執(zhí)行機構(gòu)

由傳遞裝置、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)以及末端操作器組成。

①夾持部分

這是機械手的獨立的執(zhí)行部件，夾持部分采用蝸輪蝸桿機構(gòu)控制手抓的加緊、釋放。

由于工業(yè)機器人的手部通常是專用的裝置，一種手爪往往只能夾取一種量上相近的工件，只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。

由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳動機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。

②手腕

起到連接手部和手臂的作用，主要起支撐作用，機器人一般要有6個自由度才能使末端操作器到達目標位置和處于期望的狀態(tài)。

③手臂

臂部有大臂小臂或多臂構(gòu)成，一般有2～3個自由度，即伸縮回轉(zhuǎn)，俯仰或則升降。同時再設(shè)計臂部的時候要考慮到臂部要有足夠的承載能力和剛度，剛度小，影響手臂工作時運動的穩(wěn)定性更嚴重地導(dǎo)致變形，導(dǎo)致臂部的承受載荷大小都發(fā)生變化，運動速度和定位精度也不行；運動平穩(wěn)性要好，精度要高，它是機械手的重要指標；重量和轉(zhuǎn)動慣量要小，為了提高運動運動速度，盡量減小臂部的重量，同時還要注意偏重力矩，也就是讓臂部的重心與立柱的重心盡量靠近；導(dǎo)向性要好，一面手臂在直線運動過程中發(fā)生相對運動。

手臂在進行伸縮或升降移動時，為了使手臂在直線運動過程中不致發(fā)生相對運動，以保障手部運動方向的正確性。所以這就需要導(dǎo)向裝置，同時在設(shè)計導(dǎo)向裝置時要考慮到實際載荷的大小，手臂長度行程以及手臂安裝方式的影響。同時常用減小或則消除偏重力矩的方法有：盡可能減少臂部重量，還有就是盡量使臂部的重心和立柱的重心重合，再有就是配重的方法。

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，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。

⑤機座

機械手的各執(zhí)行機構(gòu)部件和驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在機座上，主要起支撐和連接的作用，底座部分采用蝸輪和齒輪結(jié)合的方式控制整個平臺的旋轉(zhuǎn)。采用桿機構(gòu)，并由電機提供動力。

（2）驅(qū)動機構(gòu)

驅(qū)動機構(gòu)用于把驅(qū)動原件的運動傳遞到機器人的各末端操作器，一般的常用的液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動。

（3）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)向機械手發(fā)出各種指令，讓其能夠再找要求完成各種任務(wù)的裝置。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)多半由電氣定位系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)構(gòu)成。它使機械手按規(guī)定的程序運動，并同時機械手接受的指令信息被存儲起來，同時按其控制系統(tǒng)的按照接收的信息對各末端操作器發(fā)出指令，還可對機械手的動作進行監(jiān)視，當未按照預(yù)定軌跡工作或出現(xiàn)錯誤時就會發(fā)出報警。

（4）位置檢測裝置

位置檢測裝置由一個線鐃電阻和一個滑動觸電組成。當被檢測量的位置發(fā)生變化時，滑動觸電也隨之移動，從而改變了接入點路電阻值的大小，從而改變電壓，來更清楚地反應(yīng)位置的變化。

3.慧魚機械手的主要元器件

慧魚模型主要包含三大類構(gòu)件，包括機械類元件、電器類元件和氣動元件。本次設(shè)計的慧魚機械手主要由機械類元件、電器類元件構(gòu)成。

（1）機械類元件

機械類元件主要有：聯(lián)桿、齒輪、鏈條、齒輪軸、萬向節(jié)、履帶、差速器等。

（2）電器類元件主要包括：直流電機（9V雙向）、傳感器、接口電路板等

運用慧魚工業(yè)標準的基本元件，輔以傳感器、控制器和軟件的配合，運用設(shè)計構(gòu)思和實驗分析，可以實現(xiàn)技術(shù)過程的還原，更可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機械設(shè)備操作的模擬，使得技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)批量化的可行性成為可能。

4.控制系統(tǒng)

經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了存在的一些問題，如重復(fù)精度不、往返行程過長、抓取不牢固等問題。經(jīng)過改進、調(diào)試控制程序完成結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，設(shè)計ROBO Pro程序如圖1所示。

此程序中機械手從初始位置開始，電機M2工作，使機械手的腕部向下偏轉(zhuǎn)，到達指定位置后，電機M4工作，使機械手張開閉合抓取工件，接著電機M3工作，帶動機械手臂上升至頂部，隨后電機M1工作，帶動機械手整體旋轉(zhuǎn)一定角度后，電機M3工作，使機械手臂下降至指定高度，電機M2工作，使腕部偏轉(zhuǎn)至工件釋放位置，電機M4工作，釋放工件完成搬運過程，機械手返回初始位置，重復(fù)上述過程。

5.設(shè)計總結(jié)

（1）機械手是通用機械手，它的適用范圍很廣，選用圓柱坐標和三自由度體系。

（2）越復(fù)雜的運動，所需的自由度越多，本次設(shè)計包括垂直，直線以及旋轉(zhuǎn)3個自由度。

（3）導(dǎo)向裝置在此次的裝配過程中我們選擇采用絲桿與齒輪的配合，從而控制其按固定的方向運動。

機械手設(shè)計論文:弧面分度凸輪機械手設(shè)計與仿真的分析

[摘 要]弧面凸輪是空間凸輪機構(gòu)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，其凸輪曲面是通過與其嚙合傳動的分度盤上柱面滾子，按照給定的運動規(guī)律互相包絡(luò)而形成的空間不可展曲面。本文立足于弧面分度凸輪機械手設(shè)計與仿真的分析實際，分析當前存在的弧面分度凸輪機械手設(shè)計與仿真的分析問題，并提出針對性的策略，以期為我國弧面分度凸輪機械手設(shè)計與仿真的分析提供支持和借鑒。

[關(guān)鍵詞]弧面分度凸輪機構(gòu)；逆向設(shè)計；運動仿真

前言：弧面分度凸輪機械手是一種基于弧面凸輪機械結(jié)構(gòu)的間歇進行分度的裝置。能夠按照生產(chǎn)工藝的要求進行自動的進行傳送，裝卸，升降，提取，裝配，焊接，鉆孔，堆垛，檢測等任務(wù)。尤其是在高溫高壓粉塵噪音及帶有高輻射的環(huán)境中使用更佳。其主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率高，壽命長，精度高，適用于汽車制造，包裝，電子，醫(yī)藥等行業(yè)，使用前景極佳。

1.弧面凸輪機械手的設(shè)計原理及方法

1.1 弧面凸輪機械手的運動形式

根據(jù)適用場所的不同，弧面凸輪機械手的運動方式也不同，一般情況下，弧面凸輪機械手要搬運物品，要求手臂要能夠進行提升和轉(zhuǎn)動的運動，所以弧面凸輪機械手的運動由這兩者復(fù)合形成，主要有從動件來實現(xiàn)。所有的運動類型都是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動和軸向垂直的方向運動復(fù)合而成的，在現(xiàn)實的工作生活中還要求弧面凸輪機械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長與縮短[1]。

1.2 弧面凸輪機械手的結(jié)構(gòu)

在初步設(shè)計結(jié)構(gòu)類型的過程中，主要要考慮以下情況：

（1）能否的滿足原有既定的工作模式，如工作效率，運動形式等問題。當弧面凸輪機械手圍繞現(xiàn)代整體設(shè)計結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)運動，系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)整體運動旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的運動結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，并建立起機械運動結(jié)構(gòu)，不同的機械加工運作模式，實現(xiàn)現(xiàn)代加工技術(shù)逐步實現(xiàn)綜合技術(shù)的工作模式的工作循環(huán)，為了保障弧面凸輪機械手的運作效率，應(yīng)當從保障弧面凸輪機械手的運動靈活性增強，機械運作的整體的結(jié)構(gòu)可以控制在合理有用功大于無用功的均衡分配上，多元化的弧面凸輪機械手的機械運動效率推進現(xiàn)代機械運轉(zhuǎn)的效率，保障機械運作的整體機械加工運作速率。

（2）能否對工作條件有的滿足，如工作環(huán)境，工作內(nèi)容，制度以及性等。為了對弧面凸輪機械手的工作條件進行初步判定，操作者可以實施弧面凸輪機械手的工作環(huán)境初步檢驗，例如：機械加工技術(shù)環(huán)境，必須實現(xiàn)加工機械技術(shù)的外部環(huán)境滿足機械加工旋轉(zhuǎn)運行的需求，保障輸入軸和連桿設(shè)計符合弧面凸輪機械手的運動需求；從弧面凸輪機械手的加工內(nèi)容來看，弧面凸輪機械手的零件加工一般都具有精密性特征，我們在進行零件加工的過程中，保障加工弧度與弧面凸輪機械手之間達到尺寸合理，零件加工結(jié)構(gòu)上突出其存在的加工狀態(tài)，為現(xiàn)代零件加工提供了更加完善的加工設(shè)計需求。

（3）結(jié)構(gòu)方面的要求，其中包括結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，緊湊性，為了完成某些任務(wù)零件的拆卸是否方便等?；∶嫱馆啓C械手的工作設(shè)計是由圍繞著固定軸的轉(zhuǎn)動和軸向垂直的方向運動復(fù)合而成的，弧面凸輪機械手在實際機械加工中的的應(yīng)用，其工作效率不僅與弧面凸輪機械手的旋轉(zhuǎn)速率具有一定的關(guān)系，同時弧面凸輪機械手的做功速率還要求弧面凸輪機械手能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸長與縮短，弧面凸輪機械手的做功手臂的長短，實質(zhì)上也受到杠桿原理的影響。當手臂加長，則弧面凸輪機械手的運行的旋轉(zhuǎn)速率加大，但整體速率性的運行過程和運行時間延長，弧面凸輪機械手進行機械加工的速率就會大大增加，新型運動結(jié)構(gòu)所做功的多少則會受到影響，不同的機械運作結(jié)構(gòu)帶來的機械加工速率則會隨著杠桿原理設(shè)計進行。弧面凸輪機械手零件加工的速率性發(fā)生做功要求的變化。

（4）維護方面，是否便于維護，發(fā)生故障的幾率為多少等。從弧面凸輪機械手的日常維護角度進行分析，弧面凸輪機械手的運作主要是機械輸入軸和機械連桿做重復(fù)運動，我們進行日常中，要及時對弧面凸輪機械手的連接桿與輸入軸的連接處進行潤滑，這樣可以減少弧面凸輪機械手運作時機械輸入軸與連桿之間的摩擦力，保障機械運作的速率，同時做好弧面凸輪機械手的檢驗，也可以保障機械零件加工的運行效率，及時對磨損嚴重的零件進行維護和更換（圖1）。

（5）經(jīng)濟方面，能否保障經(jīng)濟消耗最小化，造成的生產(chǎn)效率較大化，使其較大限度的為使用者帶來效益。為了進一步增加發(fā)揮弧面凸輪機械手在現(xiàn)代機械加工生產(chǎn)中的作用。我們應(yīng)當在弧面凸輪機械手的應(yīng)用技術(shù)上進一步開發(fā)，提升弧面凸輪機械手的零件加工效率，提升零件加工的資源應(yīng)用率，從而實現(xiàn)現(xiàn)代機械零件加工可以發(fā)揮工作效率，促進現(xiàn)代機械加工的經(jīng)濟利益，滿足機械零件的市場需求。

2.主要零件及附件的設(shè)計

2.1 連桿的設(shè)計

下面以其中一個桿為例介紹其設(shè)計，可對右圖來進行參考。水平凸輪的正常轉(zhuǎn)動從而帶動與其相接觸的滾子，而滾子和從動盤連同連桿之間有著相對的位置關(guān)系，其關(guān)系為：L子通過擺動使連桿也相對擺動，依靠連桿的末端所連接的滾子以推動滑塊從而實現(xiàn)在輸出軸上的水平運動。連桿主要受的力是彎矩，故將XOZ截面設(shè)計為圖2左邊的形式。因為這樣的設(shè)計可以承受較大的彎矩力。連接靠大端的所銑平面上的四個Φ7.2的孔用M6螺釘加以固定在從動盤上。而小端中有Φ24的孔，這是為了提高度，延長使用的壽命，從而便于更換在孔中設(shè)計有軸套[2]。

2.2 滾子的設(shè)計

在弧面凸輪機械手的設(shè)計中對滾子要求也較高，要求滾子不光要有較為的定位，并且還要求摩擦小、轉(zhuǎn)動靈活、便于潤滑等特點。在這里自然想到了用滾動軸承，卻又發(fā)現(xiàn)單個定做成本一定過高，并且不能保障其精度。通過查閱大量的資料之后發(fā)現(xiàn)，舉例說明：上海某軸承廠所制造的一種專用軸承與此相似。只需要對此稍作改動，就可滿足本設(shè)計的需要。詳細可見右圖所示。這個滾子在滾子的外圈采用滾輪的形式，用栓軸代替了內(nèi)圈，這兩點使設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊[3]。

2.3 輸入軸的設(shè)計

這個弧面凸輪機構(gòu)通過與減速機相互連接的電動機傳動進行傳動運動。在軸徑兩端為Φ40，這里為了簡化結(jié)構(gòu)所以在軸承處軸承亦采用Φ40，在考慮到軸上有一定的軸向載荷的情況下，可采用的圓錐滾子軸承為GB/T297-199430208型。為了安裝方便選擇采用面對面的安裝。同時為了使凸輪能合理的靠在軸的軸肩處，所以在軸肩處設(shè)計了合理的砂輪越程槽，這里的尺寸為2×1.5。在軸上要安裝的零件有水平凸輪、提升凸輪以及聯(lián)軸器，所以軸上設(shè)置了鍵槽，這里均采用GB/T1096-1979的普通平鍵，由于b×h=12×8所以三個長度分別為80、63、50mm。在軸上的兩個凸輪可通過螺母進行固定。這里的軸用45鋼進行加工，在調(diào)質(zhì)處理后的硬度應(yīng)為HRC45～48。從動軸所具有的結(jié)構(gòu)比較簡單，詳細可見圖3[4]。

3.擺動期運動規(guī)律的選用

3.1 弧面凸輪機械手的運動特點

為保障弧面凸輪機械手的性，能夠地進行抓取提升和平移等工件。弧面凸輪機械手應(yīng)具有以下運動的特性：

（1）精度高：要擁有更好的性和進行工作時的效率，就要求弧面凸輪機械手必須擁有極高的精準度，以便完成更多的具有一定難度的工作，適應(yīng)多種工作環(huán)境以及工作狀態(tài)。例如：弧面凸輪機械手進行機械加工中，實施機械加工零件的關(guān)鍵性抓取，并使零件處于平鋪狀態(tài)，零件加工設(shè)計的各個部分與零件加工各個部分之間形成了良好的零件平面吻合，從而保障機械零件加工的運動平面處于同一水平狀態(tài)，實現(xiàn)現(xiàn)代零件加工技術(shù)逐性、穩(wěn)定性加工。

（2）運動的平穩(wěn)性：在進行很多高精度工作的時候都要求弧面凸輪機械手具有穩(wěn)定的運動，以免出現(xiàn)對要求的精準度高的工作造成破壞以及對生產(chǎn)造成不必要的損失。盡量不引起由于慣性造成的位移。

3.2 常用的運動規(guī)律

凸輪機構(gòu)的運動規(guī)律目前為止已多大三十余種，足夠多種不同場合的生產(chǎn)需要。例如如等速度曲，簡諧曲線等運動曲線。但是在進行生產(chǎn)的過程中出現(xiàn)較高要求的情況下，就必須考慮其所具有的較高的運動學(xué)的特性，從而對其運動中的特性進行合理的改造，改善凸輪的特性常用方法之一是采用高次多項式將數(shù)條基本曲線一一連接起來。

（1）修正等速運動規(guī)律是由對等速度的曲線修正而得到的，也就是在等速曲線的兩端各自加一段經(jīng)過組合而成的簡諧曲線作為過渡曲線，從而保留了等速曲線的部分優(yōu)點，同時克服了這兩端運動曲線不連續(xù)的缺點。此方式大多用于所需要速度很小或必須進行等速運動的那部分的凸輪的從動件進行的運動規(guī)律，此方法多用于需要低速重載的場合，而并不適合中速和高速。

（2）修正梯形運動規(guī)律是通過對于修正等加速度曲線的進一步修正而得。是能夠針對等加速度運動規(guī)律和加速度曲線在作用力的兩端和中間不連續(xù)而且是存在有躍度趨向無限大這種缺點，在相應(yīng)的不連續(xù)部分分別加入了一段簡單的簡歇曲線對其進行過度。從而使加速度和存在的躍度曲線相互連續(xù)起來，從而克服了不連續(xù)造成的缺點。這個方法可以用于中速輕載甚至中載的場合。

（3）修正正弦運動規(guī)律是相對余弦曲線的結(jié)果。就是指在余弦曲線的兩個端點各自加上一段經(jīng)由正弦曲線作為過渡而形成的的曲線，從而保留了速度較小的優(yōu)點，同時又克服了在兩端加速度方面不連續(xù)的這種缺點。相比較前兩種運動規(guī)律來說，修正正弦運動曲線的突出優(yōu)點是速度較小，綜合來講性能很好，通用性更強。通暢用于中速情況，尤其是在負載尚不明確的情況時，這種曲線最為保險。

結(jié)論

在進行弧面凸輪機械手的研究過程中，要勇于創(chuàng)新保障其能夠更好地被投入生產(chǎn)使用中，為社會的發(fā)展更好的貢獻出力量。

機械手設(shè)計論文:城市街區(qū)自助圖書館取還書機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上興起的文化建設(shè)項目，是一種新型的圖書館發(fā)展模式。自助圖書館機械手作為圖書傳輸?shù)膱?zhí)行部件，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是自助服務(wù)效率和安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。本文介紹了自助圖書館圖書的傳輸方式，機械手機械系統(tǒng)工作原理以及機械手詳細結(jié)構(gòu)。機械手運行穩(wěn)定，很大程度上提高了圖書傳輸?shù)陌踩院妥灾?wù)的效率。

關(guān)鍵詞：自助圖書館；機械手；機械結(jié)構(gòu)

引言

城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的拓展，是集數(shù)字化、人性化和智能化為一體的新型圖書館發(fā)展模式，是現(xiàn)有公眾圖書館服務(wù)的延伸，實現(xiàn)了傳統(tǒng)圖書館與數(shù)字圖書館的結(jié)合和質(zhì)的飛躍[1]。自助圖書館系統(tǒng)由自助圖書館服務(wù)機、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)、圖書館監(jiān)控系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中自助圖書館服務(wù)機是自助圖書館系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，也是其核心組成部分[2]。

射頻識別技術(shù)（RFID）作為自動識別技術(shù)的一大分支，是自助圖書館系統(tǒng)的核心技術(shù)，它通過無線射頻方式獲得圖書的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對圖書加以識別，且無需與圖書直接接觸即可完成信息的輸入與處理，能夠?qū)崟r地采集和處理信息[3]。正是由于RFID的應(yīng)用使得自助圖書館系統(tǒng)成為一種典型的人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了自助辦證、自助借書、自助還書、自助預(yù)約、自助查詢等服務(wù)功能的融合[4]。

取書機械手系統(tǒng)作為自助服務(wù)的執(zhí)行子系統(tǒng)，具有借書傳輸、還書傳輸、自動分揀的功能，是服務(wù)效率和圖書安全傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。機械手的結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)控制策略對提高服務(wù)效率和傳輸安全系數(shù)起著至關(guān)重要的作用。機械手定位速度、精度以及傳輸安全性是機械手控制的三大性能指標[5]。因此，對取書機械手結(jié)構(gòu)進行研究具有重要的意義和應(yīng)用價值。

1 城市街區(qū)自助圖書館介紹

1.1 城市街區(qū)自助圖書館系統(tǒng)構(gòu)架

城市街區(qū)自助圖書館由自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、中心服務(wù)系統(tǒng)以及圖書館監(jiān)控管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成[6]，其核心部分為自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)。

自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)主要包括客戶服務(wù)操作終端、瀏覽書架、圖書館網(wǎng)絡(luò)終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等，其中客戶服務(wù)操作終端是其核心部分。在自助服務(wù)機系統(tǒng)上，幾乎具備了圖書館全部的子服務(wù)功能[7]，其主要內(nèi)容包括自助借書、自助還書、卡證服務(wù)、預(yù)約服務(wù)和查詢服務(wù)等。

1.2 城市街區(qū)自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)

自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)主要由客戶服務(wù)操作終端、瀏覽書架、圖書館網(wǎng)絡(luò)終端、圖書信息瀏覽面板、輔助部件等組成?？蛻舴?wù)操作終端是自助圖書館服務(wù)機系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)自助借還書功能的實現(xiàn)，其功能通過取書機械手的空間運動實現(xiàn)。

如圖1所示，自助圖書館左邊區(qū)域為操作控制區(qū)，讀者可在該區(qū)域內(nèi)完成借書、還書、查詢等操作；右邊區(qū)域為圖書陳列區(qū)，圖書分層擺放在書架上。在借書過程中，機械手需要將圖書從指定書架上取出并運送到出書口。在還書過程中，機械手需要將圖書從還書口拾取并運送到指定書架上。

圖1 城市街區(qū)自助圖書館正面

2 取書機械手機械系統(tǒng)工作原理

自助圖書館服務(wù)機在傳統(tǒng)圖書館書架的基礎(chǔ)上添加E字形隔書板，使圖書兩兩隔開，方便U形結(jié)構(gòu)機械手末端夾持裝置能夠快速地插入E形隔書板卡槽內(nèi)抓取指定圖書。機械手末端夾持裝置是機械手的末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器在三維空間的運動使得圖書傳送功能得以實現(xiàn)。

圖2所示為機械手的三維空間運動，其中 XZ平面為自助圖書館上導(dǎo)軌平面；X軸表示書架的長度方向；Y軸表示書架寬度方向；Z軸表示書架高度方向；W軸為機械手末端執(zhí)行器的夾持運動方向，該方向與X軸平行，夾持裝置在W軸向的運動提供圖書夾緊力。機械手具有4個移動關(guān)節(jié)，X軸、Y軸和Z軸方向的移動實現(xiàn)末端執(zhí)行器的空間定位；W軸方向的運動提供圖書夾緊力，是圖書安全輸送的關(guān)鍵。

3 機械手結(jié)構(gòu)

在取送書過程中，機械手需要能夾緊松開圖書，并且適應(yīng)不同厚度的圖書。具體到設(shè)計上，機械手要驅(qū)動左右兩個手爪移動以夾緊或松開圖書，并能夠識別或者自適應(yīng)書本的厚度。

本次設(shè)計采用恒壓力夾緊控制方式以自適應(yīng)書本厚度。在手爪夾緊圖書的過程中實時監(jiān)測手爪的夾緊力，當夾緊力達到預(yù)設(shè)定值，手爪即停止運動。較大夾緊力的設(shè)定以能夠牢固夾持自助圖書館中最重的圖書為依據(jù)。設(shè)計采用閉環(huán)控制，具有較快相應(yīng)速度。該結(jié)構(gòu)能牢固夾持圖書，不僅能有效防止由于夾緊壓力值過小造成的的書本脫落，也能防止由于夾緊壓力值過大造成的書本損壞。

3.1 機械手爪設(shè)計

機械手在定位到要抓取的圖書位置之后，在抓取圖書過程中要保障能牢固抓取指定圖書，同時不影響左右兩側(cè)的圖書，為此設(shè)計E字形隔書板與不對稱U字形機械手爪結(jié)構(gòu)，如圖3圖4所示。一個機械手有左右兩個手爪，夾持部分是對稱的。隔書板與機械手爪形狀上互補，機械手爪在抓取圖書過程中，先插入隔書板中，然后兩手爪相向運動，抓緊圖書。隔書板的厚度為6mm，大于手爪的5mm，因此在機械手定位的前提下，手爪能插入相鄰兩圖書的空隙，并且不損壞左右兩邊的書。機械手爪前端窄后端寬，類似刀刃，在機械手爪插入隔書板的過程中允許的定位誤差更大，這種設(shè)計提高了機械手定位的容錯度。

圖3 隔書板結(jié)構(gòu) 圖4 機械手爪結(jié)構(gòu)

如圖4所示，機械手爪上面長，下面短，上面有兩個橡皮觸點，下面有一個，這是基于三點確定一個平面的原理而設(shè)計的。左右機械手爪各三個橡皮觸點，橡皮與絕大部分圖書的封面之間的摩擦系數(shù)較大，能在較小夾緊力下牢固夾緊圖書。相比之下，機械手爪上下對稱但無橡皮觸點的結(jié)構(gòu)由于金屬與封面的摩擦系數(shù)較小，導(dǎo)致手爪平面與書籍封面不能很好貼合，運行效果很不理想。

3.2 機械手壓力檢測機構(gòu)

機械手采用單個應(yīng)變式壓力傳感器檢測壓力，如圖5所示。該壓力傳感器需要一端固定另一端受力的形式才能檢測壓力，為了檢測手爪的夾緊力，需要一種結(jié)構(gòu)將傳感器與手爪聯(lián)系起來，使書對手爪的反作用力間接作用在傳感器上。如圖6所示，左邊手爪直接固定在滑塊上，右邊手爪與滑塊之間有個轉(zhuǎn)軸，手爪能繞軸轉(zhuǎn)動，手爪底部與傳感器檢測端相貼，書給手爪作用力的同時，手爪底部也給傳感器一個作用力。壓力傳感器固定端和懸臂端（受力端）各有一塊墊片，兩塊墊片使傳感器形成圖5所示的懸臂測力結(jié)構(gòu)。通過該機構(gòu)可以實現(xiàn)傳感器對夾緊力的測量。

圖5 壓力傳感器

圖6 壓力傳感器測力結(jié)構(gòu)

3.3 機械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)

機械手在夾緊松開圖書過程中，左右兩個手爪需要同步相向運動，該運動可以通過凸輪機構(gòu)實現(xiàn)。如圖7所示，凸輪有兩道槽，成中心對稱，兩道槽中各有一個圓柱銷，圓柱銷上端與滑塊緊固，滑塊在導(dǎo)軌上只能做直線運動，因此圓柱銷也只能做直線運動。為了保障凸輪轉(zhuǎn)動和圓柱銷的直線運動成線性關(guān)系，凸輪的曲線采用阿基米德螺旋線，其方程如下：

r=20+■ （1）

凸輪曲線如圖8所示，當凸輪勻速轉(zhuǎn)動時，圓柱銷會沿著圓的徑向方向做勻速直線運動，凸輪每轉(zhuǎn)動1°，圓柱銷運動0.1mm。在圖7中，凸輪順時針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離增大，機械手張開。凸輪逆時針轉(zhuǎn)動，兩圓柱銷距離減小，機械手夾緊。

（a）夾板合攏 （b）夾板張開 （c）夾板張開

圖7 凸輪傳動機構(gòu)

3.4 機械手總體結(jié)構(gòu)

機械手總體裝配圖如圖9所示，驅(qū)動電機為步進電機，電機經(jīng)減速器后帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的張開和閉合。22為塑料導(dǎo)軌，以提高耐磨性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)自助圖書館圖書地擺放方式，分析了機器手取書流程，設(shè)計了隔書板和取書手爪結(jié)構(gòu)，確定了機械取書的基本模式。根據(jù)取書的特點，設(shè)計了基于恒壓力夾緊取書原理的抓書結(jié)構(gòu)，進一步詳細設(shè)計了機械手驅(qū)動結(jié)構(gòu)及機械手總體結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計的機械手結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品中得到了良好運用，產(chǎn)品運行穩(wěn)定，自助服務(wù)效率得到了提高，本文的研究具有較大的實用價值和理論意義。

機械手設(shè)計論文:數(shù)控機床機械手設(shè)計

摘 要 隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量也急需有所提高。數(shù)控機床的出現(xiàn)在很大程度上提高了工業(yè)生產(chǎn)控制水平，各種類型機械手已經(jīng)遍布全球各大工業(yè)生產(chǎn)車間。本文從數(shù)控機床機械手的構(gòu)造及分類出發(fā)，簡要的分析了機械手模塊化設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞 數(shù)控機床；機械手；模塊化

1 數(shù)控機床機械手構(gòu)造

數(shù)控機床機械手是由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)以及位置檢測系統(tǒng)四大塊組成的，實際工業(yè)應(yīng)用過程中，需要這四部分共同配合來完成一項任務(wù)。這里給出數(shù)控機床機械手的工作圖

1）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機械手的大腦，它決定著機械手的具體運動方式。機械手一個動作的完成首先是由用戶向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制系統(tǒng)將該指令轉(zhuǎn)化為具體的控制信號，通過程序控制電路、電極控制模塊、機械控制等幾部分來控制機械手實際運動。其次，機械控制模塊還會將機械手實際的運動情況收集起來，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號反饋給控制系統(tǒng)，以判斷機械手是否按照用戶要求運動，是否能夠的完成用戶所指定的任務(wù)。當反饋信號顯示機械手出現(xiàn)運動偏差時，控制系統(tǒng)將發(fā)出警報信號提示用戶。

2）驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)顧名思義是數(shù)控機床機械手中驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的裝置，該裝置的主要組成部分為控制調(diào)節(jié)器、動力系統(tǒng)、輔助裝置等。我們在工業(yè)生產(chǎn)中所提及的機械傳動、液壓傳動等，均是使用較為廣泛的驅(qū)動系統(tǒng)。

3）執(zhí)行機構(gòu)

數(shù)控機床機械手外型上與人手臂相類似，也是有手腕、手臂、抓手三部分組成，特殊情況下還可以加裝移動行走機構(gòu)，提高機械手運行范圍。抓手的主要作用就是抓取物料，常見的抓取方式為吸附式和手抓式。吸附式抓手是通過所安裝的吸盤來執(zhí)行任務(wù)的，電磁式吸盤依靠電磁鐵所產(chǎn)生的磁力來吸附導(dǎo)磁性物質(zhì)，手抓式吸盤就像是人的手一樣抓取物件，所以在實際應(yīng)用中，主要用來抓取重量較輕，尺寸較小的零件。手腕部分的主要作用是用來調(diào)節(jié)工件的抓舉方位以及角度，它是連接抓手與手臂的關(guān)鍵部分。手臂部分是機械手的主要城中部分，它主要是控制抓手從的角度抓取物件，同時根據(jù)軟件控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，按照要求將物件放至位置。

4）位置檢測系統(tǒng)

數(shù)控機床機械手位置信號有手臂位置、抓手狀態(tài)、行走位置等幾種，信號檢測系統(tǒng)的主要作用就是用來檢測這幾種信號，然后將信號反饋至主控制系統(tǒng)用來判斷當前各個位置信號是否正確，機械手各部件是否處于正確位置，同時主控制系統(tǒng)向位置檢測系統(tǒng)發(fā)送控制信號，給出機械手下一步操作任務(wù)。

2 數(shù)控機床機械手分類

1）按照用途分類

數(shù)控機床機械手可以應(yīng)用于很多種工業(yè)生產(chǎn)過程中，但是生產(chǎn)內(nèi)容不同所使用的機械手類型也不同。當前數(shù)控機床機械手有專用和通用兩種，所謂專用就是只能夠用于特定的生產(chǎn)過程中，主控系統(tǒng)程序是固定的不能隨意更改的，這種機械手通常情況下用于單一工業(yè)生產(chǎn)過程；所謂通用就是指機械手可以用于不同工業(yè)生產(chǎn)過程，其主控系統(tǒng)程序可以根據(jù)控制需要進行更改調(diào)整，在不同場合提供不同的運動方式。

2）按照驅(qū)動方式分類

驅(qū)動方式?jīng)Q定著機械手的運動方式，它也是區(qū)分機械手類型的重要因素。氣壓機械手是依靠壓縮空氣來驅(qū)動的，這種機械手以空氣為介質(zhì)，制造成本較低，而且能夠廣泛適用于很多高危生產(chǎn)環(huán)境中。此外氣壓機械手的結(jié)構(gòu)相較于其他機械手簡易很多，不需要配備專業(yè)維修人員，所以這種機械手是很多工業(yè)生產(chǎn)控制過程的；液壓機械手主要用于質(zhì)量很大的物件抓取，它依靠密封的液壓裝置來提供強大動力，但相應(yīng)的制造成本也比較高，而且對于維護要求也比較高。

3）按照控制方式分類

現(xiàn)階段數(shù)控機床機械手的控制方式就兩種：點位控制和軌跡控制。點位控制思想就是路徑線段化，將機械手需要運動路徑劃分為規(guī)定距離的細小線段，劃分的線段端點越多，機械手的運動精度就越高，但同時這種控制方式對系統(tǒng)的要求也比較高。這種機械手在當前很多工業(yè)控制過程中被廣泛使用；軌跡控制相較于點位控制而言技術(shù)要求就更高一些，它可以滿足機械手在任意空間范圍內(nèi)的運動，而且運行過程更加的穩(wěn)定。這種機械手的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，通常情況下需要計算機參與輔助控制。

3 機械手模塊化設(shè)計理念

模塊化設(shè)計理念是伴隨著工業(yè)制造方式的不斷轉(zhuǎn)變而興起的，它是將一個整體分割成若干個獨立的功能結(jié)構(gòu)，不同部分可以同時設(shè)計，然后再組合成一個整體。這種理念簡化了設(shè)計過程，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，機構(gòu)中每一個功能及部件都具有較高的獨立性，極大地提高了機構(gòu)的適用范圍。模塊化產(chǎn)品設(shè)計中最根本最核心的內(nèi)容就是保障功能結(jié)構(gòu)以及物理結(jié)構(gòu)的相似性，同時相互獨立的功能部件可以協(xié)調(diào)工作。對機構(gòu)進行模塊設(shè)計時可以沿著功能體系和構(gòu)造體系兩條主線進行，因為系統(tǒng)能夠體現(xiàn)出來的任何一項功能，都是建立在其他功能基礎(chǔ)之上的，也就是說系統(tǒng)功能具有上下層關(guān)系。此外，系統(tǒng)中還存在著并列功能形式，即一個功能對應(yīng)著系統(tǒng)可以實現(xiàn)的多個功能。在進行數(shù)控機床機械手模塊化設(shè)計時，我們可以根據(jù)實際作業(yè)的要求來劃分機械手的單元模塊。機械手底座是所有功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，所以要將它設(shè)定為整體模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)，然后再根據(jù)不同結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的不同功能來設(shè)計。經(jīng)過實踐證明，模塊化設(shè)計能夠大幅度降低機械手的設(shè)計成本，縮減整體設(shè)計時間，以最快的速度滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需要。

1）模塊化機械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計流程

從數(shù)控機床機械手各個機構(gòu)功能的角度出發(fā)，可以將其分為手部模塊、腕部模塊以及臂部模塊。

2）機械手模塊組成及功能分析

（1）手部模塊組成及功能分析

機械手手部模塊中最重要的組成部分就是手指，它主要用來抓取待加工工件。氣動機械手氣爪是當前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，這種手指能夠自動對中，雙向高精度抓取。常見的有2指氣爪、3指氣爪以及多指氣爪。在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，以抓取棒料為主，例如￠80×6Omm圓柱型工件

聯(lián)接件的作用是控制手指抓取直徑，氣爪運動的較大直徑為D2，最小直徑為D1。外夾持氣爪的夾持力方向是從工件表面指向工件圓心。

（2）腕部模塊組成及功能分析

機械手腕部模塊是由擺動氣缸和聯(lián)接件組成的，它可以保障機械手在90°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。圖中所示聯(lián)接件1是連接高精度頭型調(diào)節(jié)機構(gòu)與擺動氣缸的，聯(lián)接件2是連接擺動氣缸與氣爪的。

通常情況下，聯(lián)接件都設(shè)計有槽與軸相對應(yīng)的孔，并通過鍵聯(lián)接方式將氣缸與孔連通。采用螺釘固定的方式防止鍵的軸向移動。

（3）手臂模塊組成及功能分析

圖1所示為橫臂模塊的結(jié)構(gòu)圖，橫臂是由ML2B氣缸、聯(lián)接件、導(dǎo)軌三部分組成的。這三部分均安裝在門架橫梁上，而且可以在水平方向自由移動。機械手的橫臂與直臂也是通過連接件連接在一起的，而且通過高精度柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)來保障機械手氣爪與機床卡盤的對中精度（圖2）。