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四自由度搬运机械手的设计毕业论文1引言1.1机械手研究的背景及其意义机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以四自由度搬运机械手为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业4.0” ，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历史背景下机械手也正在从自动化向智能化的方向发展。1.3机械手的种类及其应用本课题研究的机械手其动作自由度为4，虽然其动作自由度种类大多类似，但是因其在工业、制造业领域应用条件和具体工作要求的差异，所以机械手的外观形状、结构、功能以及其具体动作次序和形式千差万别，不过为了方便机械手的设计，机械手按照其的各系统的组成大致可以分为：动力驱动系统、传动执行机构、控制系统三大类。按照机械手的驱动动力源又可以细分为：气动驱动型机械手、液压驱动型机械手。按照机械手的应用环境又可以细分为:通用型机械手、专用型机械手1。按照机械手的运动轨迹又可以细分为：点位控制型机械手、连续式控制型机械手。机械手种类繁多其应用领域和应用场合颇多,特别是在工业、制造领域，机械手正在逐步取代人力成为工业生产中必不可少的装备。1.4机械手研究的主要内容本课题研究的是四自由度搬运机械手，此类型的机械手大多为应用于工业、制造业领域的机械手，一般执行一些单调的、重复性的工作，所以从设计层面上来说，在控制方面的设计比较容易实现，本论文关于四自由度搬运机械手的设计方法采用的是机械设计领域比较前瞻的模块化设计方法，模块化设计的工作主要是应运在机械手控制系统的设计工作中，通过主程序和子程序的单独编程和有效调用大大简化了机械手控制系统设计的难度2。此外针对机械手的驱动系统、传动及执行机构、数控系统以及各零部件等分类、分步进行设计，使得设计工作简化且有序进行。机械手设计的总体工作内容如下：机械手的总体方案的设计。机械手的传动机构以及执行机构设计。机械手的驱动系统设计。机械手的控制系统设计。322机械手总体方案的设计2.1 机械手的功能以及技术要求机械手是通过模仿人手臂的功能实现各种复杂的动作次序和轨迹来完成各种具体的工作和实现既定的功能，特别是在完成一些比较复杂的运动形式和在一些比较危险或有限的空间内工作。本课题研究的四自由度固定式搬用机械手，主要应运于一般的流水作业线和一些重量较轻的个体货仓搬运等工作中，因其可实现大部分人手的功能，所以在现实应运中具有一定的实际意义和较大的应运价值。因为机械手大多应运于一般的流水作业线，所以对其具体动作路劲和动作次序、时间的精度和偏差有较高的要求，我们要求机械手在实现其基本功能的过程中能够做到平稳的、迅速的、准确的搬运物体，保证整条流水线工作的有序运行，完成预先设定各种工作要求。2.2 机械手的整体结构设计在对机械手进行结构的设计时，不仅要满足理论上对其动作具体过程的要求，还要同机械手的具体工作环境、工作空间的要求和限制相匹配，所以在机械手的设计过程中必须严格遵守如下基本原则：要给予机械手的动作范围留有尽可能大的活动空间，并且所设计的机械手应能完成多种运动形式以满足不同的工作要求。在进行机械手的结构设计时，要根据具体的工作环境和要求通过模仿人的手臂功能，然后在满足工作要求的运动形式下来设计机械手的具体结构和机械手的姿态以及运动方式。机械手结构的设计并不是淡淡的做到其性能的最佳，还要同时考虑它的经济性，要力求以最简单的结构、最轻的自身重量、最低的成本取满足具体的工作性能要求，如机械手的行程范围、最大负载能力和运动的平稳性、准确性等。2.3机械手的主要部件及其自由度2.3.1 机械手的主要部件组成本论文所研究的四自由度搬运机械手，主要是用来模仿人手的功能，所以其结构部件也类似人手臂的组成，从整体上来说包括机械手部、机械臂、和底座三大部分。可是机械手毕竟和人手有很大的不同，它还需要有动力驱动的部分、控制的部分和执行的部分，所以机械手的主要部件包括：电动机、气压泵、气压缸、底座、立柱、大臂、小臂、机械夹手部等。2.3.2 机械手的自由度机械手是对于人的手臂功能模仿相当成功的产品，基本上可以实现人手的一些基本的动作形式，不过区别在于机械手不需要做的像人手那样灵活自如，在具体实际工作的应用中进行了一定的简化处理，具体结构设计这要看机械手实际的工作环境、要求以及成本等问题，也就是尽可能以最少的自由度实现实际的工作要求。人的手臂堪称是世界上最完美的机器，因为它共有6个自由度，能过完成任何复杂的动作过程和任何方式的运动，所以在各种仿生学井喷的今天，对机械手的研究具有极其重要的意义和价值。本课题研究的四自由搬运机械手主要用于一般的流水作业线和搬用个别重量较轻物体的搬运，为了满足具体的工作要求本课题所设计的机械手应该具备：上升、下降、水平移动、回转和机械手夹持手部的伸缩等运动形式，针对目标工作要求及机械手的动作形式的研究，本课题设计的机械手4个自由度3。根据本课题设计的机械手的具体运动形式，我们可以将机械手的四个自由度大致分为：方向控制、工作执行两个方面。其中在方向控制方面包含：水平回转和水平移动2个自由度，在工作执行方面包括：小臂的升降和机械手手部的夹放2个自由度。此外，以上自由度在实际工作中可进行有序组合，从而完成一些复杂的动作形式和要求。2.4 机械手的动作过程及其时间配置2.4.1 机械手动作形式及其顺序的确定本课题研究的机械手主要用于在一般的流水作业线上和重量较轻的个体货物搬运工作中执行一些简单且重复性的动作，所以机械手的整体动作形式具体可以切分为如下几个相互独立的动作形式：水平回转机械手的大臂随着立柱可以实现水平回转240度，然后在配合上大臂的水平移动可以使机械手到达以底座为圆心以大臂为半径的半圆范围内的任意一点。轴向移动机械手小臂可以随着机械手大臂通过气压缸的收缩实现小臂的轴向移动300mm，大大扩大了机械手的移动行程和动作范围。 竖直升降机械手大臂在立柱上通过气压缸的伸缩可以达到320mm的升降行程，这个行程可以有效避开工作过程中的大多障碍物，大大提升了机械手的应用范围。机械手手部的旋转机械手手部可水平旋转180便于调整夹取器件的角度。机械手的夹放通过气压缸控制机械手夹放力度，保证物体在搬运不会意外掉落，通过PLC准确控制机械手的夹放时间，保证物体在搬运过程的有序进行。以上机械手的各部件动作形式在工作过程相互独立，通过PLC可编程控制器的有效控制，实现各部件之间的动作相互组合且有序进行，从而完成具体的工作要求。2.4.2 机械手动作过程中的时间配置本课题所研究的机械手主要是用于一般的流水作业线和一些器件的搬运，其基本动作轨迹大多都是类似的，只不过是在具体动作形式和时间配置上有参数上的区别，所以本课题研究的机械手的新颖之处就在于充分解决了这一问题，本论文中的控制系统采用的是PLC可编程控制器，它可以实现随工作环境和任务的不同，把机械手的每一个具体动作形式和动作时间根据具体工作情况参数化，如此设计出的机械手可适用于任何工作环境和完成任何工作任务，大大提高的机械手的通用性。2.3 机械手动作过程中基本参数的确定机械手的设计包括结构设计、功能设计以及各种驱动及动力系统的设计，不过这些设计首先要得在机械手动作过程中的基本参数确定的基础上，然后再展开后续的设计工作，机械手动作过程中的基本参数如下表2-1所示：表2-1 机械手动作过程中的基本参数伸缩伸缩行程300mm升降升降行程320mm伸缩速度80mms升降速度35mms回转回转范围0240手指夹放夹放范围6090mm回转速度10rmin转动速度30r/min机械手的最大工作半径1700mm机械手手臂的最大中心高度1000mm机械手的抓取重量2kg3机械手的传动机构以及执行机构的设计3.1 机械手机构的模块化设计模块化的设计思想就是将一个系统和机构组成复杂的机械产品在设计时划分为若干个彼此相互独立的单元体，对每个单元体单独设计，这样可以大大降低机械产品的设计难度。在设计时各个单元体之间要分开自行设计，但是过程中必须要保证的一点是对于各个模块、各个单元体的设计一定要实现标准化，这样既可以使设计过程标准化降低设计难度和成本，也可以便于产品最后的模块组合，同时还有利于提高各模块在设计过程中的可调整性以及各同类单元体之间的互换性。模块化设计思想是机械设计领域比较前瞻的设计思想，它的出现是为了适应新形势下产品设计的快节奏、多样化、产品越来越复杂的新要求。一个优秀的机构设计必须实现在机构中各单元体的功能独立和物理机构独立的有机结合，这样不仅在设计时使复杂的机械结构简单化大大降低了设计难度，而且有利于后期对机械产品的维修和更新换代。3.1.1 机械手结构模块划分所遵循的原则在模块化的设计思想中需要将产品划分为若干个彼此间相互独立的单元体，对于模块的划分一般遵循如下基本原则：模块数的划分不是越多越好，在减少模块自身复杂程度的同时，还应尽量减少模块总数，这样有利于降低设计时的工作量和设计后期的模块组合复杂度。模块数的划分越多那么其组合方案也就越复杂，所以我们力求用最少的模块数来实现最多的模块组合。模块的划分要考虑其对成本的影响，我们要力求实现其成本和成果的统一，对于我们所设计出的产品要做到性能和经济性的最优化。模块的划分必须保证各模块功能和机构的独立以及二者有机结合。模块的划分必然会对其产品的质量（精度、刚度等）产生一定的影响，所以我们在划分过程中应充分考虑这一影响。3.1.2 机械手模块化设计的一般方法对于一个机械产品来说，机构和功能的关系是相互依存的，而相对于机构之间的联系，功能之间的关系更加重要。在产品的整个系统中，各项功能之间存在着并行和上下两种关系。所谓上下级关系我们又称之为前后级关系，它是指在系统中的某个功能会因另一个功能的出现而出现，其中，最先出现的功能我们称之为上位功能，而被引出的功能我们称之为下位功能。由此可见它们之间的关系是相对的，随二者出现的先后次序而改变。而并行关系则是指虽然一个功能仍是因某一功能的出现而出现，但不同的一点是此时出现2个功能，这时的关系则为并行关系。3.2 机械手的组成及其模块化本课题研究的是四自由度搬运机械手，这种机械手主要用于一般的流水作业线和一些重量较轻的货物搬用，为了降低机械手的设计难度我们将机械手按其功能用模块化的方法分成若干个基本的独立功能分别进行设计，然后对各个相互独立的功能模块按要求进行组合，从而可以设计出不同规格、不同功能系列的产品4。当产品需要维修或更新换代时，可以通过对产品的部分功能模块进行改进或重新设计，这样可以使得设计成本和后期维修成本大大降低，同时也大大缩短了产品的设计周期。通过对机构零部件标准化和功能模块化的有机统一，充分实现产品的可变性和系列化，满足不同的工作要求，大大提高机械手的通用性。3.3 机械手基本结构构成及其设计流程3.3.1 机械手的基本结构本课题设计的四自由度搬运机械手要求具有占地面积较小而活动范围相对较大的特点，同时还要求有较高的平稳性和精度。所以对于机械手的结构的设计应尽量简单，这样可以减少动作的误差叠加，同时还应该尽量提高产品的通用性和降低成本5。机械手的基本结构设计如图3-1所示。图3-1 机械手的整体结构简图3.3.2 机械手的总体设计流程由于本课题研究的机械手主要用于器件的搬用，所以只有首先确定了机械手搬用器件的有效重量,之后才能确定相关的力、力矩等技术参数，然后才能进行整个机构及其各个模块的设计，最后才能对模块进行组合以及结构的调整和修改，实现对产品的设计和完善。所以关于机械手的设计必须遵循一定的设计流程,这样便于实现设计过程的标准化并大大简化流程,有利于成本的降低。机械手的具体的设计流程图如图3-2所示。3.4 机械手执行机构的设计机械手在作业时，与完成具体工作直接相关的机构称为执行机构，执行机构设计的合理与否直接影响机械手工作性能的好坏以及机械手的整体成本，所以执行机构设计的质量对于整个机械手的性能有着至关重要的影响。基本上机械手的整个设计工作都是以执行机构为中心,首先根据目的功能来进行执行机构的设计，然后再通过执行机构设计驱动系统和控制系统，最后整个设计工作完成6。图3-2 机械手的设计流程图3.4.1 机械手手部的结构设计本课题研究的机械手主要用于流水线上器件的搬用，而机械手手部的结构是与实际工作物体直接接触的最终执行机构，所以机械手手部结构的确定应与实际工作中所搬用物体的类型相适应。我们此次设计的机械手要求起具有一定的通用性、低成本、且便于控制，所以最终选用气动控制型机械手，并且采用夹持式结构以便满足其通用型的要求7。机械手手部的具体结构如3-3图所示。图3-3 机械手手部结构简图3.4.2 机械手手部结构（夹持爪）的计算夹持气爪的选择要根据气爪的具体工作环境而定，包括夹持气爪所搬运货物的重量、尺寸以及气爪的工作行程和空间范围等，本课题所研究的机械手在工作时搬运的标准器件其具体参数为：M=60g,Dmax=32mm,夹持点距转轴中心的最大力臂为46mm, 由此计算并确定夹持气爪的规格。夹持气爪对器件加持力的计算如下：NK1K2K3G (3-4)其中： K1表示安全系数，（一般取值1.22）； K2表示工况系数（一般情况下受器件惯性力的影响较大K2=1+ag， a表示器件的加速度，g表示器件的重力加速度)； K3表示位置系数； G表示器件的重量；计算过程中分别取K1=2，K2=2，K3=4；则由式3-1可得：N1.21.005420N=96.8N所以夹持力矩（根据最小的夹持力计算）为：M=FS=96.80.45Nm=43.56Nm根据上述计算结果，选取SMC,MHC2-16D-A193S气爪，其主要性能参数为：手抓开合时间为0.02s；气爪的夹持力矩为45Nm；机械手部的重复定位精度为0.01mm。3.5 机械手手臂结构的设计本课题研究的机械手其手臂的结构组成包括：大臂（水平臂）和小臂（垂直臂）两部分，大臂用来实现水平的回转然后再配合小臂在大臂上的伸缩移动实现水平面内位置的全覆盖，小臂部分利用气动系统实现垂直的升降，这样机械手便可在一定的立体空间内任意移动，实现货物的准确定位和搬用。此外，对于机械臂的设计还应该遵循2个基本原则：机械臂在工作过程中需具备一定的运动精度和定位精度，所以在设计时要保证各机械臂必须有一定的刚度；涉及到对于机械手产品成本问题以及具体实际工作的要求，应保证手臂的结构尽量简单、重量尽量轻，以达到节约材料、减少机械手的运动惯性使其动作灵活的目的。机械手手臂是保证机械手爪部按照指定路线移动的重要运动部件，机械手四自由度就是由手臂的结构来保证的，因此我们对于机械手手部运行轨迹和定位精度的要求都要通过手臂来保证，所对于手臂我们有如下要求：要求手臂的重量尽可能轻，这样可以大大降低手臂运动时的惯性冲击、使动作更加灵活，同时还可以大大节约材料。要求机械臂必须具有一定的刚度，因为这样可以大大提高机械手运动的精度和定位的精度8。 竖直升降模块的设计竖直臂是实现机械手上下升降的模块，它的动力驱动用到的是气压缸，竖直臂由于定位不可靠，在运行过程中受工作行程、工作压力等因素影响较大，所以为了保证气缸在运行过程之中的稳定性，故而选择双联气缸。当活塞杆克服载荷收缩做工时，根据机械臂初选的工作压力以及工作载荷，确定气缸的内径D为： D=4F1P （3-2）其中： D为气压缸的内径m； F为气压活塞的载荷N； P为气压缸受到的压力Pa； 为气缸总的机械效率（一般取=0.30.5）；考虑到气缸中活塞杆的直径以及具体工况： D=1.011.154F1P （3-3）根据竖直臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：伸缩时间t=0.6s,行程S=60mm，气缸中活塞的工作载荷F15N，可得气缸的内径D为取P=0.5MPa,=0.3：D=1.154FP=1.154153.140.50.312.98m 水平伸缩模块的设计由于水平臂只在平面内运动而且只有一端定位，所以为了保证水平臂的刚性，我们采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法，所以气缸只需要选用笔形气缸即可，根据水平臂收缩气缸的具体工作要求以及工作过程中的具体数据参数：伸缩时间t=0.5s,行程S=70mm，气缸中活塞的工作载荷F10N，可得气缸的内径D为取P=0.5MPa,=0.3：D=1.154FP=1.1541003.140.50.333.5mm根据上述计算结果，选取SMC,CXSM10-70-Z73气缸，水平安装重复定位的精度为0.02mm。3.6 机械手底座结构的设计本课题研究的机械手出于对其成本和应运场景的考虑，故决定设计为固定式机械手，这就要求它的底座采用固定式，如此不仅有利于降低成本，对于机械手整体刚性的提高也非常重要。此外，固定式机械手对底座的结构要求较低，只需其满足机械手的定位要求即可。机械手底座的机构设计如附件底座图。4机械手的驱动系统的设计本课题研究的机械手的驱动系统共分为电力驱动和气动驱动2种驱动系统，但一般情况下对这2种驱动系统的工作同步性的要求，所以一般作为电气驱动系统来综合设计。驱动系统的设计就是指对于驱动系统动力源的选择以及对于驱动系统传动机构的设计，此外还包括对于驱动元件的选型和设计校核。4.1 气动驱动系统的设计本课题所设计的气动驱动系统基本上用于机械手动作的各个环节，从机械手大臂的摆动到小臂的伸缩进退再到小臂的上升下降，以及机械手手部的夹紧和松放都用到了气动驱动，故本课题关于四自由度搬运机械手的设计核心在于一整套气动驱动方案的设计，驱动原理图的设计如附件气动驱动原理图:本课题设计的机械手的气动驱动系统用到气压泵、过滤调压器（消除脉动、吸收水气、冷却）、电磁换向阀、气压回路、笔形气缸、双联气缸、旋转气缸还有气爪等各类元器件。当机械手工作时,气动驱动系统中的各执行元件将会按照预先设定好的程序有序工作,具体工作原理为：2位5通先导式电磁换向阀接受由可编成控制器PLC控制的短脉冲信号，控制各气压缸前进后退动作，同时我们再利用串联在电磁换向阀进出口位置的单向节流阀来控制其开口大小，从而实现对气压回路中压缩气流速度的控制，如此实现气压系统中气压元件的有序工作9。4.2 气动元件的选择4.2.1 气压泵的选择气压泵是气压回路中提供动力源（压缩空气流）的气压元件，气压泵的选择，首先是对气压泵的类型的确定，这要看气压回路对气压的特性要求而定，紧接着就是气对压泵具体型号的确定，这就要通过计算出气压回路中气压缸的耗气量总和以及所需的气体压力来确定气压泵的吸入流量和输出气压，如此，便可最终确定出气压泵的具体型号。为了方便计算我们一般忽略气缸管道内的容积、气缸的直径D、行程S、换向阀到气缸管道的容积以及气缸的动作时间等因素这些都直接影响气缸的换气量Q，所以在单位时间内气缸内空气耗气量Q的计算过程如下：Q=Q1或Q=Q2 Q1=D2S4t1，Q2=D2-d24t2 （4-1）式中：Q表示在单位时间内气缸压缩气体的消耗量(m3s)； Q1表示无活塞杆端气缸进气时压缩气体的消耗量（m3s)； Q2表示有活塞杆端气缸进气时压缩气体的消耗量（m3s)； D为气缸内部的直径（m）； d为气缸内活塞杆的直径（m）； t1和t2分别表示气缸内活塞的往返程时间（s）； S表示气缸内活塞的行程（m）； 水平臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下： 时间t=0.6s，行程S=60mm，缸径D=13，由公式4-1可得：Q=D2S4t=3.141320.640.613.3m3s竖直臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下10： 时间t=0.5s，行程S=70mm，缸径D=35mm，由公式4-1可得：Q=D2S4t=3.143520.740.51.3102m3s综合以上计算,本课题最终决定选用的气压泵为上海日豹，其具体性能参数为：LB:0.0178; 220V50HZ; 0.245KW; 0.8MPa。 4.2.2气动系统中各控制和辅助元件的选择气动系统的工作原理总的来说首先是由气泵来提供气流,然后再经过各种控制阀、气动回路、执行气动缸等的设计使其完成既定的工作要求和任务。气动控制阀是整个气动回路有序运行的关键，在气动系统中通过气压泵压缩空气来推动各气压缸等执行元件工作，而各执行元件的动作顺序和速度则需要气动回路中的各类控制阀通过控制压缩空气的方向和流量来实现。气动控制阀的内部工作原理与实际功用与液压控制阀非常的相似，只是在结构和外形设计上有些差异。按照不同的适用需求可分为以下几类11。 方向控制阀的选择方向控制阀主要是在气压回路中控制执行元件（气缸）的启动、停止和方向的控制类元件，它的工作原理是通过改变压缩气体的通断和方向来控制气压回路中的执行元件完成预定的工作要求。方向控制阀种类繁多，具体分类如下：根据控制阀内空气流通方向的不同我们可以将其分为：单向型控制阀；双向型的控制阀。根据控制阀控制方式的不同我们可以将其分为：人力控制阀；机械换向阀；气压控制换向阀；电磁控制换向阀。根据控制换向阀内阀芯有几个切换工作的位置定义为几位阀，根据控制阀内换气端口的数量定义为几通阀。由于本课题研究的机械手要满足自动控制的要求以及气缸工作时的具体要求最终选择先导性2位5通电磁换向阀。流量控制阀的选择在机械手的工作过程中要保证整个动作过程的有序运行就需要对机械手的各个动作元件的速度进行有效的控制，这些都需要通过流量控制阀来实现。流量控制阀的工作原理主要是通过改变流过流量控制阀的气流流通截面积来达到对流量控制的目的，各类流量控制阀总的来说大同小异，其大体上共分为3类：节流阀；单向节流阀；排气节流阀。由于本课题所用到的气缸需要实现双向工作，所以需要2个单向节流组合实现。压力控制阀的选择压力控制阀顾名思义就是用来控制回路中气流压力大小的，基本上是气压回路中必用气压元件，根据压力控制阀的功用可以分为：减压阀；顺序阀；溢流阀（安全阀）。本课题所选用的是溢流阀，它主要用于气压泵的出口处，作为气压回路的压力保护装置。5机械手的控制系统设计本课题研究的机械手因其主要用于一般流水生产线上,对其自动化和控制性要求较高,故我们所设计的控制系统采用PLC作为其控制单元、气动系统作为其执行单元，这样的控制系统不仅简单易于实现，而且可靠性和稳定性较好，其各方面性能大大优于一般的继电器控制系统。5.1 PLC控制系统的设计步骤在PLC控制系统的运行的过程中我们是根据具体的工作要求进行程序设计，通过程序的运行来实现它PLC的控制功能，所以关于可编成控制器PLC的控制系统的设计其主要任务在于对其运行程序的设计，其具体的设计步骤如下12： 根据四自由度搬运机械手的运行规律及其具体的工作要求对可编成控制器PLC的控制系统所控制的动作形式和动作顺序进行设计。 确定和分配可编成控制器PLC的控制系统的输出以及输入设备，简单来说就是对于能够实现控制功能的PLC信号我们要确定其输入口和输出口的分配和布置。 根据所需实现的具体动作形式和动作顺序进行程序的设计，并画出相应梯形图。 通过计算机依照我们所设计的梯形图对PLC进行编程。 运行和调试程序。5.2 PLC类型的选择及I/O点的确定5.2.1 PLC类型的选择不同的PLC产品由于其性能与规格的各不相同,所以按其结构形式、功能差异的不同分为如下几类： 根据各PLC产品功能差异的不同，可将PLC分为高档、中档和低档。 按照可编成控制器PLC输入和输出点其数据结构形式差异，我们可以将可编成控制器PLC分成整体式和模块式两种类型。整体式PLC：顾名思义就是将包括电源、I/O接口、CPU等在内的各种可编程控制器所用到的部件都集中装到一起，使其成为一个整体式的结构。这样的PLC满足体积小、结构紧凑和成本低等特点，因此一般在小型PLC的结构中多采用此类PLC。此外，因其在基本单元内也接有部分扩展单元因而也具有部分扩展功能，可是相比较模块式的PLC其仍然具有一定局限性。模块式PLC：模块式PLC是机械自动化技术针高速发展,尤其是在控制邻域正在从固定程序控制向多变、可调的由具体工作任务主导的可编程控制，特别是近年来模块化设计思想在程序编程领域的应运，通过模块化的思想实现主程序和子程序的组合、调用大大降低了程序编写和修改的复杂程度，可编程控制器在此背景下应运而生并得到了迅猛的发展，其具体工作原理是将可编程控制器的PLC的各组成部分都分别做成彼此相互独立的子模块，包括：电源模块、I/O接口模块、CPU模块和其它各种功能模块。这样的PLC由于其框架结构明显，所以组合装配方便、便于功能的扩展和PLC的日常维修，因此为了降低设计得难度和工作的复杂程度一般在大中型的可编程控制器中大多采用此类结构13。此外，可编程控制器的结构设计还可以采用整体式和模块式结合使用的方式，这样既可以利用整体式结构的集成优点，又可以充分利用模块式结构的功能组合能力，如此一来便可充分利用其各自的优点，在做到灵活配置各种功能、具有一定程度的扩展能的前提下还能把体积做的尽量小，同时还可以显著降低设计制造的成本，实现产品的最优化。不过，根据本论文所研究的四自由度搬运机械手的特点最终决定选用模块式的PLC结构，具体型号为德国西门子- 型，因为该型是模拟数据块运算，输入输出口为 ，不仅完全满足本论文所研究的机械手的控制要求而且还便于功能的扩展。5.2.2 PLCI/O点的确定PLC控制系统需要PLC控制信号连接输入设备和输出设备，并合理分配输入输出点，具体布置如下表5-1和5-2所示：表5-1 PLC输入点的分配情况输入点I0I1I2I3I4I5I6I7计数器初始状态常开常闭常开常开常开常开常开常开常开按钮符号SB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6CD1功能说明启动停止竖直气缸上行接近到指定的位置竖直气缸下行接近到指定的位置水平气缸伸出接近到指定的位置水平气缸收缩接近到指定的位置旋转气缸反转接近到指定的位置旋转气缸正转接近到指定的位置接受旋转编码器信号表5-2 PLC输出点分布情况输出点Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7脉冲初始状态常开常开常开常开常开常开常开常开常开按钮符号YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8DI1功能说明旋转气缸反转接近开关旋转气缸正转接近开关水平气缸伸出接近开关水平气缸收缩接近开关竖直气缸上行接近开关竖直气缸下行接近开关手抓抓紧手抓松开控制步进电机运行5.3 PLC程序的编制5.3.1 编写PLC程序在PLC程序的编写过程中最常用到的编程方法是梯形图法，此外还有语句表法和功能块图法，因为梯形图一般都是由按一定动作次序连接而成的继电器以及只具有常开、常闭2种触点，故而同电气控制系统当中的电路图特别类似，所以梯形图法相对于语句表法和功能块图法具有直观易懂、编写过程简单的优点。梯形图的具体编写过程包含3步：根据执行机构所要完成的任务以及具体的动作形式和次序设计出相应的梯形图。根据设计出的梯形图进行相应的编程，所编写出的程序要满足梯形图的各指令要求。把预先编写好的程序写入可编程控制器PLC的动态存储器中，然后再对程序进行运行和调试14。5.3.2 制作N-S流程图N-S流程图在直观上就相当于一个程序，它用一些特定的图形、流程线、以及简要的说明文字来直观、清晰、明确地表示程序的运行过程，如此一来大大简化了我们在编写程序时对程序运行过程思考的复杂性，此外，由于本课题设计的机械手采用的是模块化的设计方法，因而更适合用N-S流程图进行设计。本课题研究的机械手的PLC程序满足机械手的自动和单步两种工作方式：自动就是在按下启动键后，机械手从原点出发在执行对物体进行搬运的整个过程后，接着回到原点自动进行下一次，直到按下停止键后停止工作。单步就是通过各个功能按键对机械手的上升、下降、正转、反转、夹紧、放松等具体动作进行单独的控制，实现点动操作。具体N-S流程图的设计如下：设计主程序N-S控制原理图如图5-1所示：图5-1 主程序N-S控制原理图设计自动控制N-S流程图自动运行就是在按下启动键后，机械手从原点出发在执行对物体进行搬运的整个过程后，接着回到原点自动进行下一次，直到按下停止键后停止工作，把机械手动作过程中的启动、完成一个完整的工作循环之后再返回到原点以及停机等各个彼此间相互独立的动作过程分成若干个模块进行分单元设计，具体N-S图如图5-2所示：图5-2 自动控制N-S流程图在PLC控制系统的设计过程中，我们通过把一个完整的动作过程分解成若干个彼此间相互独立的动作模块，然后在分别对各个独立模块进行N-S流程图设计，这样不仅可以形象、直观、清晰的表示程序复杂的运行过程，而且方便程序设计者在设计过程中对程序的分析与设计以及后期对程序的调整与修改。如此，将会大大的发挥N-S图在模块化的设计方法中的独特优势。5.3.3 PLC在程序编程中需要注意的具体事宜定时器在同一程序段中绝对不能重复使用，否则会导致定时器使用混乱、程序运行出错。在程序的编写过程中应尽量使用子程序编写，这样可以大大发挥出模块化的设计优点，此外，为了方便程序的检查和修改，应在主要程序段中添加注释。在优化机械手运行速度时，要同时考虑动作过程中的需要的时间、产生的惯性冲击以及震动数值，使得机械手的综合指数达到最优值。6总结及展望6.1总结通过此次关于四自由度搬运机械手这个课题的研究，我对机械手领域有了不同于以往的、全新的认识，同时也打破了我对机械手领域一直以来的神秘之感，在此次课题的研究过程中，随着对机械手相关知识学习的不断深入，机械手的那层神秘面纱也逐渐被揭开。人因为拥有制造能力而区别于动物，同样机械手的出现将会是又