四自由度气动式机械手设计【全套7张cad图纸和毕业论文】

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四自由度气动式机械手设计

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关键词：: 自由度气动式机械手设计全套 cad 图纸以及毕业论文

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摘要
随着科技的发展，机械手在工业领域得到越来越广泛的运用，它可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动，大大提高生产效率。
本课题对机械手的手爪、手腕、手臂、腰部和机座部分进行了设计，确定机械手采用圆柱坐标式。手爪的张合，手臂和腰部的伸缩，机座和手腕的旋转都采用气缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上，完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成，按照机械手的动作流程，完成了相应的接线图和程序编制。
关键词：机械手，工业领域，气缸，可编程序控制器
ABSTRACT
With the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.
In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.
Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller

目录
1 绪论 1
1.1 机械手的概述 1
1.2 机械手的发展史 1
1.3 气动技术及气动机械手的发展过程 2
1.4 机械手未来的发展趋势 3
1.5 本课题研究内容 4
1.6 课题研究的意义 4
2 机械手的总体设计方案 6
2.1 机械手的工作原理及系统组成 6
2.2 机械手基本形式的选择 7
2.3 驱动机构的选择 8
2.4 机械手详细设计参数 8
2.5 本章小结 8
3 机械手手部结构设计及计算 9
3.1 手部结构 9
3.2 机械手手爪设计计算 9
3.3 夹紧气缸的设计 11
3.4 手爪夹持范围计算 13
3.5 机械手手爪夹持精度的分析计算 14
3.6 弹簧的设计计算 15
3.7 本章小结 17
4 腕部的设计计算 18
4.1 腕部设计的基本要求 18
4.2 腕部的结构以及选择 18
4.3 腕部的驱动力矩计算 19
4.4 腕部工作压力的计算 20
4.5 气压缸盖螺钉的计算 21
4.6 动片和输出轴间的连接螺钉 22
4.7 本章小结 23
5 机械手手臂机构的设计 24
5.1 手臂的设计要求 24
5.2 伸缩气压缸的设计 24
5.3 导向装置 28
5.4 本章小结 28
6 机械手腰部和基座结构设计及计算 29
6.1 结构设计 29
6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 29
6.3 导向装置 32
6.4 平衡装置 32
6.5 机身回转机构的计算 32
6.6 本章小结 33
7 机械手的PLC控制系统设计 34
7.1 气压传动系统工作原理图 34
7.2 可编程序控制器的选择及工作过程 35
7.3 可编程序控制器的使用步骤 35
7.4 机械手可编程序控制器控制方案 36
7.5 本章小结 46
8 结论 47
参考文献 48
致谢 49

1 绪论
计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空船、宇宙飞船、下至微型机器人、深海开发，机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展，科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用[1]。
1.1 机械手的概述
机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂部的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓取工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动

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内容简介：: 基于PLC控制四自由度气动式机械手摘要随着科技的发展，机械手在工业领域得到越来越广泛的运用，它可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动，大大提高生产效率。本课题对机械手的手爪、手腕、手臂、腰部和机座部分进行了设计，确定机械手采用圆柱坐标式。手爪的张合，手臂和腰部的伸缩，机座和手腕的旋转都采用气缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上，完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成，按照机械手的动作流程，完成了相应的接线图和程序编制。关键词：机械手，工业领域，气缸，可编程序控制器基于PLC控制四自由度气动式机械手 50 ABSTRACTWith the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller 目录1 绪论11.1 机械手的概述11.2 机械手的发展史11.3 气动技术及气动机械手的发展过程21.4 机械手未来的发展趋势31.5 本课题研究内容41.6 课题研究的意义42 机械手的总体设计方案62.1 机械手的工作原理及系统组成62.2 机械手基本形式的选择72.3 驱动机构的选择82.4 机械手详细设计参数82.5 本章小结83 机械手手部结构设计及计算93.1 手部结构93.2 机械手手爪设计计算93.3 夹紧气缸的设计113.4 手爪夹持范围计算133.5 机械手手爪夹持精度的分析计算143.6 弹簧的设计计算153.7 本章小结174 腕部的设计计算184.1 腕部设计的基本要求184.2 腕部的结构以及选择184.3 腕部的驱动力矩计算194.4 腕部工作压力的计算204.5 气压缸盖螺钉的计算214.6 动片和输出轴间的连接螺钉224.7 本章小结235 机械手手臂机构的设计245.1 手臂的设计要求245.2 伸缩气压缸的设计245.3 导向装置285.4 本章小结286 机械手腰部和基座结构设计及计算296.1 结构设计296.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计296.3 导向装置326.4 平衡装置326.5 机身回转机构的计算326.6 本章小结337 机械手的PLC控制系统设计347.1 气压传动系统工作原理图347.2 可编程序控制器的选择及工作过程357.3 可编程序控制器的使用步骤357.4 机械手可编程序控制器控制方案367.5 本章小结468 结论47参考文献48致谢491 绪论计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空船、宇宙飞船、下至微型机器人、深海开发，机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展，科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用1。1.1 机械手的概述机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂部的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓取工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件2。1.2 机械手的发展史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3 气动技术及气动机械手的发展过程气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位，智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（可实现任意位置上的精确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院YBando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6个脚中的每一个脚都有3个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展/退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动，并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下（或通过自身的编程控制）能与人进行对话，或作自我介绍等。Tron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体，它告诉我们，气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力3。1.4 机械手未来的发展趋势（1）重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。（2）模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。（3）无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。（4）机电气一体化由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。总之，随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用3。1.5 本课题研究内容研究内容是设计一个由PLC控制的四自由度气动式机械手，机械手能完成手爪夹紧、放松，手腕旋转，手臂伸缩，腰部的上升下降和机座的旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。并且根据课题，设计出机械手的气路系统，包括元器件的选取和回路的设计，画出气路原理图。机械手控制部分由PLC完成，通过设计要完成PLC的选型、PLC的外部接线图以及根据机械手的流程图编写出PLC梯形图。1.6 课题研究的意义伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是机械手系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。如蛇形机械手的出现，帮助人类完成了许多危险区域的任务4。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用机械手，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐5。巴雷特机械手就是其中的典型代表，一个在运行中能调整自己适应环境并安全的变成各种各样形状的一个智能化、高度灵活的八轴夹持器6。2 机械手的总体设计方案2.1 机械手的工作原理及系统组成机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作7。（1）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。a.手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构的型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。b.手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。c.立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。d.机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。（3）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（4）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置8。2.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: a直角坐标型机械手；b圆柱坐标型机械手； c球坐标(极坐标)型机械手；d多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，容易实现7。因此，本设计采用圆柱坐标型。图2-1是机械手外观轮廓图。图2-1机械手外观轮廓图2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 机械手的驱动方式共有三种方式：气动方式,液压方式,电驱动方式9。（1）气动方式：成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属于简单非伺服型。（2）液压方式：功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。（3）电驱动方式：a.步进驱动：功率小,开环控制,控制简单,可能失步。b.直流驱动：调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不易用于易爆,多粉尘的环境。c.交流驱动：维护简单,使用环境不受限制,成本较低,调速性差。根据课题要求确定圆柱坐标型机械手，利用双作用气缸驱动实现手臂上下运动；双作用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气压缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动实现。2.4 机械手详细设计参数机械手的设计参数如下所示：机械手（重复）定位精度：0.5mm；机械手最大抓重：1kg；工件尺寸：直径约23cm，圆柱形，材料是铁质；支座旋转角度为：90度（最大速度：90度每秒）；物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度：30度（最大转度：30度每秒）； Y轴大臂上下移动距离为：20cm（最大速度10cm/s）； Y轴小臂上下移动距离为：10cm（最大速度10cm/s）； X轴小臂伸缩距离：10cm （最大速度10cm/s）；手指开合角度为：60度（最大速度60度每秒），手爪旋转角度为180度；料槽小臂（推动工件的推杆）伸缩距离为：15cm（最大速度10cm/s）。2.5 本章小结本章主要讲述了机械手的工作原理和系统组成，并且简要介绍了执行部分。机械手动作形态采用圆柱坐标式，四自由度的运动执行均由气缸驱动完成。3 机械手手部结构设计及计算3.1 手部结构四自由度气动机械手采用夹持式手部结构，由手爪和传力机构所组成。其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型10，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。3.1.1 端执行器的要求（1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器10。3.1.2 手爪的分类和选取工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。这个偏移量称为夹持误差。平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的回转型夹持器。10结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为60度，且能够抓取重约1kg的圆柱形铁质工件。所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。3.2 机械手手爪设计计算3.2.1 手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图3-1为常见的滑槽杠杆式手部结构。图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆= （3-1）式中：驱动力；夹紧力；手指的回转支点到对称中心的距离；手指长度；工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则夹紧力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。3.2.2 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。（1）手指对工件的夹紧力可按公式计算：（3-2）式中: 安全系数，通常1.22.0；轴向力； V形手抓的开合角；工件和手抓间的摩擦系数；计算：设a=10mm,b=30mm, =，求夹紧力和驱动力。设K=1.5，0.3根据公式，将已知条件带入得：（2）根据驱动力公式得：由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取。（3）取（3-3）3.3 夹紧气缸的设计3.3.1 主要尺寸的确定（1）气缸工作压力的确定由表3-1取气缸工作压力表3-1 气压负载常用的工作压力负载F/N50000工作压力p/MPa57（2）气缸内径和活塞杆直径的确定可由下式推算出气压缸的内径D：（3-4）预设活塞杆直径d=0.5D,气缸工作压力P=0.4MPa,根据机械设计手册气压传动分册P22-125，选取气压缸内径为：D=32mm。可以得出活塞杆内径为:d=0.5D=320.5=16mm，选取d=14mm。（3）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: （3-5）式中，缸筒壁厚，(mm)；气缸内径，(mm)；气缸试验压力，一般取（Pa）；气缸工作压力（Pa）；缸筒材料许用应力（Pa）。本设计手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL1060,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为: （4）手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量S可推得：S （3-6）气缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加的行程余量11。（3-7）故气压传动手册圆整为。（5）手爪部分总质量估算：（3-8）其中：手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106查相关手册可得， 45号钢密度为； ZL1060的密度为。手爪部分总质量约为：3.4 手爪夹持范围计算为了保证手爪张开角为，活塞杆运动长度为27mm。（a）手爪最小夹持半径（b）手爪最大夹持半径图3-2 手爪张开示意图手爪夹持范围的计算，手指长30mm，当手抓没有张开角的时候，如图3-2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径=10，当张开时，如图3-2（b）12所示，最大夹持半径计算如下：机械手的夹持半径从。3.5 机械手手爪夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差计算。图3-3 手爪夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为10mm26mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：（3-9）手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：（3-10）计算：（3-11）当时带入有：所以夹持误差满足设计要求。3.6 弹簧的设计计算选择弹簧按照压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3-4所示，计算过程13如下。图3-4 圆柱螺旋弹簧的几何参数（1）选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力（2）选择旋绕比C=8，则（3-12）（3）根据安装空间选择弹簧中径D=22mm，估算弹簧丝直径（4）试算弹簧丝直径（3-13）取3mm。（5）根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：（3-14）选择标准为，弹簧的总圈数圈（6）最后确定：，（7）对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。弹簧，因此弹簧稳定性合适。（8）疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：（3-15）选取1.31.7（力学性精确能高）（3-16）经过上式校核，弹簧满足要求。 3.7 本章小结本章对机械手的手部和手爪进行了设计，并且对夹紧气缸进行了选取计算，对夹持范围和夹持精度进行了计算，最后对弹簧强度进行了校核，符合使用要求。4 腕部的设计计算4.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素10。4.2 腕部的结构以及选择4.2.1 典型的腕部结构（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。（2）齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。（4）机-液结合的腕部结构。4.2.2 腕部结构的选择结合任务书设计要求，手腕要求旋转180度，考虑上述经典结构，选择具有一个自由度的回转腕部结构，气压传动。4.3 腕部的驱动力矩计算腕部在回转时一般要克服以下3种阻力：（1）腕部回转摩擦处的摩擦力矩为简化计算，一般取（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩（4-1）式中：工件重量（n） e：工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）（3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速，按下式计算：（4-2）或者按照腕部角速度和启动时所转过的角度计算：（4-3）式中：工件对手腕回转轴线的转动惯量；：手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量；：手腕回转过程中的角速度；：启动过程所需的时间，一般取0.050.3s；：启动过程所转过的角度。手腕回转所需的总的阻力矩是上述三项之和，即：（4-4）设夹取棒料半径15mm，长度180mm，重量1Kg，当手部回转时，将手爪、手爪驱动气压缸及回转气压缸等效为一个圆柱体，长为200mm，半径为40mm，其重力G，启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。（4-5）因为工件夹持在手抓中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为0，=0 （4-6）查取转动惯量公式有：代入： 4.4 腕部工作压力的计算表4-1 气压缸的内径系列（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=26mm，考虑到实际装配问题后，其外径为100mm；动片宽度b=30mm，输出轴r=12mm。由于实际气压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，则回转缸工作压力，选择P=0.5Mpa。4.5 气压缸盖螺钉的计算图4-1 缸盖螺钉间距示意图表4-2螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm) 小于150小于120小于100小于80缸盖螺钉的计算，如图4-1所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-2，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力（4-7）工作载荷；预紧力。气压缸工作压强为P=0.5Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择4个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=4个。危险截面（4-8）（）所以：螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径：（4-9）螺钉的直径选择d=6mm13。4.6 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴间的连接螺钉,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。（4-10）于是得：（4-11）D缸体内径；b动片宽度；p回转缸工作压力；动片和输出轴间连接螺钉的预紧力；d动片与输出轴配合处的直径；f被连接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取f=0.15。螺钉的强度条件为：（4-12）带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径：螺钉的直径选择d=4mm，选择M4的开槽盘头螺钉14。4.7 本章小结本章对机械手腕部的结构进行了选择，对手腕的工作压力进行了设计计算，对气压缸盖螺钉的数量进行了设计，最后选择4个螺钉为合理数量。5 机械手手臂机构的设计5.1 手臂的设计要求（1）臂部应承载能力大，自重轻。（2）臂部运动速度高，惯性小。（3）手臂动作灵活。（4）位置精度高。5.2 伸缩气压缸的设计5.2.1 气缸主要尺寸的确定（1）气缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸，采用单活塞杆双作用气缸，初定内径为。由,可得活塞杆直径：圆整后，取活塞杆直径查表取气缸工作压力由公式：（5-1）（5-2）计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取。得。（2）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（3-5）计算:设计的伸缩气缸缸筒材料为:铝合金ZL1060, =3MPa代入己知数据，则壁厚为：取，则缸筒外径为：。（3）手部活塞杆行程长确定按设计要求，X轴小臂伸缩距离为10cm，即100mm。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为。（4）活塞杆稳定性的计算：当活塞杆的长度时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。当气缸承受的轴向负载达到极限值后，极微小的干扰力都会使活塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致气缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件是：（5-3）式中：气缸承受的轴向负载，即气缸的理论输出推力，；气缸的压杆稳定极限力，；气缸的压杆稳定性安全系数，一般取。气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关15。当长细比时，（5-4）当长细比时，（5-5）上式中：活塞杆计算长度；活塞杆横截面回转半径；实心杆半径：（5-6）空心杆半径：（5-7）活塞杆断面惯性矩；实心杆惯性矩：（5-8）空心杆惯性矩：（5-9）空心活塞杆内孔直径；活塞杆截面积；实心杆截面积：（5-10）空心杆截面积：（5-11）系数，查手册；材料弹性模量，对钢取；材料强度实验值，对钢取；系数，对钢取；查阅机械手册气缸设计章由表得安装方式为固定-自由式，取，代入公式（5-6）至（5-11）：实心杆半径：由于，用公式（5-5）：所以该活塞杆满足稳定性条件。（5）驱动力校核测定手爪与手爪夹紧气缸质量为，估算为，设计加速度，则惯性力：（5-12）原式：。考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数，总受力为：因为，所以该气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。（6）前后运动气缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用45钢；缸体采用铝合金ZL1060；连接件采用HT250。查相关手册， 45号钢密度为7.85； ZL106的密度为 2.73； HT250密度为 7.35；经计算，可算出质量约为：5.3 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.4 本章小结本章主要对机械手的手臂结构进行了设计计算，确定了手臂气缸的具体尺寸，对活塞杆进行了计算和稳定性的校核。导向装置选用单向导杆。6 机械手腰部和基座结构设计及计算6.1 结构设计通过安装在机座上的旋转气缸转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在转动壳体上的气缸实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在气缸活塞杆上转动，确保手臂随机座可以一起转动。支撑梁采用铝合金，以减轻重量和节省材料。6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计6.2.1 确定主要尺寸（1）气缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸以及伸缩气缸的结构尺寸，采用单活塞杆双作用气缸，初定内径为。由,可得活塞杆直径：圆整后，取活塞杆直径。查手册取气缸工作压力。由公式（5-1）、（5-2）：计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取。得。（2）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL1060,=3MPa代入己知数据，则壁厚为：取，则缸筒外径为：（3）手部活塞杆行程长确定按设计要求，腰部上下运行距离为20cm，即200mm。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为。（4）活塞杆稳定性的计算：当活塞杆的长度时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。当气缸承受的轴向负载达到极限值后，极微小的干扰力都会使活塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致气缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件公式（5-3）：当长细比时，用公式（5-5）：实心杆回转半径：实心杆截面积：系数，由查表安装方式为固定-固定式，得；材料强度实验值，对钢取；系数，对钢取；代入公式（5-6）至（5-11）：得，所以该活塞杆满足稳定性条件。（5）上下移动气缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用45钢，缸体采用铝合金ZL106，连接件采用HT250。查相关手册，可得：45号钢密度为7.85ZL106的密度为 2.73 HT250密度为 7.35经计算，可算出质量约为：所以总质量约为：6.2.2 气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接查阅机械设计手册，选择拉杆式螺栓连接。该结构简单，易于加工，易于装卸。（2）活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。（3）密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。采用O型密封圈。工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。（4）气缸的安装连接结构根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，该气缸用法兰式安装连接。6.3 导向装置气压驱动的机械手臂在进行上下运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。在本设计中才用双导向杆来增加腰部的刚性和导向性。6.4 平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手爪一侧的重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，根据抓取物体的重量和气缸的运行参数配一块重量为8 kg的铁块。这样，机械手臂的倾覆力矩就非常小，不会有翻到的状况发生。6.5 机身回转机构的计算旋转气压缸所需，。（1）计算（6-1）（6-2）（6-3）将回转部件等效为一个圆柱体，长为1500mm，半径为60mm，其重力=800N，设启动的角速度，启动时间t=0.1s，所以：=147461.6（2）的计算为了方便计算，所以： =461.6+0.03+0回转气压缸参数计算如下：设b=60mm，工作压力P=4Mpa，d=50mm则由得：（6-4）所以圆整取气压缸的内径为140 mm。6.6 本章小结本章对机械手的腰部和机座部分进行了设计计算，确定了腰部气缸的内径和活塞杆直径，算出了壁厚，并对活塞杆的稳定性进行了校核。导向装置采用双向导杆，在横梁端部加装平衡装置减少倾覆力矩。7 机械手的PLC控制系统设计7.1 气压传动系统工作原理图图7-1为机械手的气压传动系统工作原理图，表7-1为气路元件图。气源是由空气压缩机通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器这气动三联件，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作15。图7-1 四自由度机械手气路原理图表7-1 气路元件图序号型号规格名称数量1J41F-16手动截止阀12储气缸13QLPY1分水滤气器14QLPY2减压阀1 5QLPY3油雾器16TK-10压力继电器17Q22DX-1二位二通电磁阀1811Q25DC-3二位五通电磁阀41216QLA-L3单向节流阀51724TZ-8104行程开关87.2 可编程序控制器的选择及工作过程7.2.1 可编程序控制器PLC的选择国际上生产可编程序控制器的厂家很多，有日本三菱公司的F系列PLC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PLC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PLC等。考虑到本课题机械手的输入输出点少，流程简单，同时又要考虑到成本，因此选择了三菱电机公司的FX2N系列PLC。7.2.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期16。7.3 可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:（1）系统设计即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。（2）I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号；哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号。此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。（3）画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。（4）助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。（5）编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。（6）调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件23。（7）保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用17。7.4 机械手可编程序控制器控制方案7.4.1 控制系统的工作原理及控制要求（1）控制对象为圆柱坐标式气动机械手。它具有四个自由度，手腕的旋转，手臂的伸缩，腰部的上升下降及机座的旋转。此外，末端执行装置还可完成抓、放功能。以上各动作都采用气动方式驱动。气动方式用四个二位五通电磁阀分别控制四个气缸，一个二位二通电磁阀控制夹紧气缸，使机械手完成手腕旋转、手臂伸缩、腰部升降、机座旋转和手爪张合动作。这样，可用PLC的5个输出端与电磁阀相连，经过编程，使电磁阀各线圈按一定顺序启动，使机械手按预先安排的动作顺序工作。（2）控制要求为了满足工作需要，机械手应该设置手动工作方式和自动工作方式。a手动工作方式手动工作方式分为手动操作和回原点操作，这样便于对设备进行调试。使用者可以用按钮对机械手每一动作单独进行控制。b自动工作方式自动工作方式分为单步，单周期和连续运行。按下起动按钮，机械手根据所选择的方式运行。7.4.2 气动机械手的工作流程气动机械手的自动控制工作流程如图8-1所示：图8-1机械手自动控制工作流程框图 7.4.3 I/0分配及原理接线图根据系统输入输出点的数目，选用三菱公司的FX2N系列FX2N-64MR18，它有32个输入点; 32个输出点。原理接线图如图8-2所示。图8-2 原理接线图7.4.4 梯形图设计根据机械手的流程图及I/0分配，可以画出梯形图。梯形图包括回原点程序，手动操作程序、单步、单周期和自动连续运行程序20。（1）公用程序图8-3 公用程序梯形图公用系统程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初步以外的各步对应的辅助继电器复位，同时将表示连续工作状态的M1复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现

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