升降臂机械手及控制系统设计说明书

摘要在当今大规模的制造中，为提高生产效率，降低生产成本，保证产品质量，自动化程度普遍提高，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并应用于工业生产中。在许多危险和高精端领域人工操作开始被机器人机械手所取代本文简要介绍了机器人的概念，发展史及发展趋势，机械手的组成，分类，自由度，同时简要说明机械手的控制与执行系统。并通过 PLC 内部程序输出不同的信号，从而实现机械手的精确定位与动作。关键词:机械手，自由度，执行系统，控制系统.ABSTRACTIn todays large-scale manufacturing, to increase productivity, reduce production costs, ensure product quality, increased automation, industrial robots as automation production line of important members, gradually enterprise identity and applied to industrial production. In many dangerous and high-precision end field manual operation began to be replaced by a robot Manipulator . This article briefly describes the history of robot concept, and its development trend, manipulator, classification, freedom, and a brief description of the manipulator control and enforcement system. And through PLC internal program output different signal, enabling accurate positioning and Manipulator.Key Words: robot, DOF, perform system, control system. 目录1.绪论 .11.1 机器人发展史 .11.2 发展趋势 .21.3 机器人的未来 .31.4 机械手 .32 工业机器人的设计要求 .52.1 工业机器人的介绍 .52.2 工艺分析 .52.3 技术参数 .73 机 械 手 的 驱 动 系 统 .93.1 机械手驱动方式 .93.2 三种驱动系统的比较 .94 执行系统 .114.1 机械手机身 .114.2 手臂结构 .124.3 手腕结构 .134.4 手部结构 .145.控制系统 .195.1 PLC 概括及在机械手中的应用 .195.2 机械手结构及其动作 .205.3 工艺顺序及控制要求 .21参考资料 .24答谢 .2511.绪论机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作机 器 人 是 高 级 整 合 控 制 论 、 机 械 电 子 、 计 算机 、 材 料 和 仿 生 学 的 产 物 。 在 工 业 的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作、 医 学 、 农 业 、 建 筑 业 甚 至 军 事 等 领 域 中 均 有 重 要 用 途 。 联 合 国 标 准 化 组 织 采 纳 了 美 国 机 器 人 协 会 给 机 器 人 下 的 定 义 ： “一 种可 编 程 和 多 功 能 的 ， 用 来 搬 运 材 料 、 零 件 、 工 具 的 操 作 机 ； 或 是 为 了 执 行 不同 的 任 务 而 具 有 可 改 变 和 可 编 程 动 作 的 专 门 系 统 。由于机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.1 机器人发展史虽然机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想和追求已有近 3000 多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人记载。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。公元前 2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。21800 年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。1773 年瑞士钟表工人杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯推出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理制成的。由于当时技术条件的限制，这些玩偶身高不足一米，现在保留的最早的机器人是瑞士怒萨迪尔博物馆的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十指可以按动风琴的琴键而演奏音乐供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。现代机器人的研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。自 50 年代诞生以来，目前已风靡全球。据称，目前，世界上机器人已达 20 万，并且每年还在 35的速度递增。机器人从事的行业，也由原来单一的工业，迅速扩展到农业、交通运输业、商业、科研等各行各业。1.2 发展趋势国 外 机 器 人 领 域 发 展 近 年 来 有 如 下 几 个 趋 势 ：（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97 年的 65 万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。3（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的机器人发展在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直播遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3 机器人的未来1.3.1 机器人小型化目前各国的研究现状而言，微型机器人大多处于实验室和原型开发阶段，但可以预见，将来微型机器人将广泛出现并得到应用。1.3.2 机器人智能化现在的智能机器人，它的智力最高只相当于 2、3 岁幼儿的智力水平，将来随着科技的进步，高智能的机器人会越来越多，其智力也会愈加接近成人水平。随着科学技术的进一步发展创新，如同科幻电影中的机器人将会变成现实，为人类生活带来飞跃般的变革41.4 机械手1.4.1 机械手介绍机 械 手 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 运物 件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 机 械 手 是 最 早 出 现 的 工 业 机 器 人 ， 也 是 最早 出 现 的 现 代 机 器 人 ， 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 。1.4.2 机械手构 成机 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 抓持 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。 1.4.3 机械手的分类机 械 手 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 。 51.4.4 机械手的应用工业制造领域：主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等医疗领域：机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。2 工业机器人的设计要求2.1 工业机器人的介绍工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 36 个运动自由度，其中腕部通常有 13 个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行。2.2 工艺分析机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构和位移检测装置等组成。本文设计的是工业机械手，是从输送带上抓取待加工的坯料送到加工机床的加工部位，有圆柱坐标式和极坐标式两种，具有手臂回转、升降、伸缩和手部夹持等四个自由度。7图 2-1 四自由度机械手示意图Figure 2-1 Schematic of the four degrees of freedom manipulator 2.3 技术参数(1) 抓重:夹持 10kg气流负压吸附 5kg(2) 自由度: 4 个(3) 坐标形式: 圆柱坐标(4) 最大工作半径: 1500mm(5) 手臂最大中心高: 1380mm(6) 手臂运动参数:伸缩行程: 600mm 伸缩速度: 500mm/s升降行程: 200mm 升降速度: 300mm/s回转范围； 0240 回转速度： 90/s(7) 定位精度： 0.5mm(8) 手腕运动参数： 8回转速度: 180 度/s回转范围: 0180(9) 控制方式: 点位程序控制 PLC(10) 驱动方式： 分析后选择气动(11) 手指夹持范围: 棒料 80150mm片料 S0.5m2图 2-2 四自由度机械手示意图Figure 2-2 diagram of four degrees of freedom manipulato3 机 械 手 的 驱 动 系 统3.1 机械手驱动方式机 器 人 的 驱 动 方 式 有 液 压 式 、 气 动 式 和 电 动 机 式 。1) 液 压 驱 动 :是指动源（发动机或电机）驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。2) 气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，所以容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭用之不尽，相对于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低3) 电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单，所以就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。3.2 三种驱动系统的比较驱动方式内容液压驱动 气动驱动 电机驱动输出力 压力高，可获得大的输出力压力相对要小，输出力小输出力较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高 较高 很高结构适当，执行机构可标准化、模拟化，结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，10结构性能及体积 易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小电动机一般需配置减速装置，除 DD 电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa（十个大气压）时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差对环境影响 液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声 无在工业机械手中的应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手成本 液压元件成本较高 成本低 成本高维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求方便 较复杂由于气动驱动相对于液压及电机驱动具有如下优点：(1) 结构简单、坚固耐用、维护相对容易;(2) 输出扭矩大、重量轻、效率高；(3) 可实现无级调速，以及可产生旋转、往复及冲击运动；(4) 可以在存在爆炸性、腐蚀性、高温及潮湿的工作环境中；(5) 空气廉价异趣且是可再生资源，不污染环境；所以在选用机械手驱动系统中优先考虑气动驱动系统。4 执行系统执行系统是由传动部件和机构构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器 3 部件组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的首部、手臂一级机座进行设计。4.1 机械手机身机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动机构和有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动形式、使用条件、负载能力的差距，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不尽相同，从而使机身结构存在很大差别。4.1.1 常用的几种机身结构(1) 升降回转型机身结构: 主要是由实现臂部回转和升降运动的机构组成。机身回转常采用回转轴液压（气）缸驱动、直线液压（气）缸驱动的传动链、蜗杆蜗轮机械传动等。机身升降运动采用直线缸驱动、丝杆-螺母机构驱动、直线缸驱动的连杆式升降台。(2) 俯仰型机身结构： 主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的部件组成，它是采用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。大多使用摆式直线缸驱动。(3) 直移型机身机构(4) 类人型机身结构(5) 回转缸置于升降之下结构： 优点是能承受较大偏重力矩，缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响大。(6) 回转缸置于升降之上结构： 此结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。(7) 活塞缸和齿条齿轮机构： 手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现，12齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮做往复回转，使得手臂左右摆动按照设计要求，机械手必须实现手臂 180的回转运动，为了设计的合理性及其需求，综合考虑，分析，本设计采用回转升降缸之上结构。图 4-1 机械手回转角度示意图Figure 4-1 manipulator sketch map of the rotary angle4.2 手臂结构手臂部件是主要执行部件，它是由臂杆及伸缩、屈伸或自转等运动相关的构件和与腕部或手臂运动、连接支承等相关的构件组成，作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间的运动。4.2.1 手臂的组成部件(1) 动作元件： 是用来驱动手臂运动的元件，与驱动源相配合，实现手臂的各种运动；(2) 导向装置： 手臂静止时，用来承受由夹持工件重量所产生的弯曲力及由于载荷不平衡而产生的扭转力矩，在运动时又存在一个惯性力。为保持手抓的正确位置和动作元件不受较大的弯曲力，手臂的导向装置是必不可少的；(3) 臂 手臂的动作元件，导向装置及其他装置都必须安装在臂上，用以起支承，连接和承受外力的作用； (4) 其他装置 134.2.2 手臂的工作原理示意图图 4-2 手臂工作原理示意图Figure 4-2 arm work principle sketch map4.3 手腕结构手腕式连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。手腕部可用来调节被抓工件的方位，以扩大机械手的运动范围，并使机械手变的灵巧，适应性更强。腕部存在独立的自由度。可以做回转运动、上下摆动、左右摆动等动作。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作简单的专用机械手，为简化结构可省去腕部从而直接用臂部运动驱动手部工作。14图 4-3 手腕回转运动示意图Figure 4-3 wrist rotary motion diagram4.4 手部结构机械手主要由手部和运动机构组成。手部是要求用来抓持工件的部位，根据被夹持的物件形状、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、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物的姿势或位置。4.4.1 手部结构的分类1) 夹持式夹持式手部的结构与人手类同，是工业机械中较为广泛使用的一种手部形式。它由手指、传动机构、驱动机构构成。又分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手抓运动方向相反。夹持式手部设计应注意如下几点：(1)手指应有一定的开闭范围；(2)手指应有是适当的夹紧力；(3)保证工件在手指间的定位精度；(4)结构紧凑，重量轻，效率高；15(5)通用性和可换性。2) 真空吸盘式它是利用吸盘内产生真空或负压压差从而将工件吸附，是工业机械手常用的吸持装置。由吸盘、吸盘架和进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但需要工件与吸盘接触饿部位光滑平整、清洁、被吸附的工件材质致密，没有透气空隙。适用于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张以及塑料等光滑工件的抓取。真空吸盘式又名气吸式，可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、空气吸盘；磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。4.4.2 夹持型手部已知：G=10kg V 形手指的角度 2=120 o b=120mm（爪至销轴之间的距离）R=24mm（滚子至销轴之间的距离）摩擦系数 f=0.1NRbP2)(tan.50G= )42560.891=67NP=670Nk1: 安全系数 （1.5-2.0）k2: 工作情况系数 g)(ak12k3: 方位系数手指与工件位置：手指水平放置手指与工件形状：V 形指端夹持圆柱型工件 341025sin03 .f.k1621KpP实 际2139.3N 94.0567实 际 .8图 4-4 夹持器示意图Figure 4-4 gripper diagram4.4.3 气缸气缸的直径：本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为： ztFpDF421式中： F1活塞杆上的推力，N； Ft弹簧反作用力，NFz气缸工作时的总阻力，N；P气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算：； ； ；）（ slCftnDGdCf314812dDt式中Cf弹簧刚度，N/m；L弹簧预压缩量，m；S活塞行程，m；d1弹簧钢丝直径，m；D t弹簧平均直径，m；D 2弹簧外径，m；17n弹簧有效圈数；G弹簧材料剪切模量，一般取 G=79.4109pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则： tFpD421由以上分析得单向作用气缸的直径： pt)(1代入有关数据，可得： nDGdCf31485)0(.79343677.5(N/m)3377.56010-3)(slCFft220.6N所以： pFDt)(412164.05.)7(75.3mm查有关手册圆整，得 D=80mm由 d/D=0.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1624mm圆整后，取活塞杆直径 d=18mm校核，按公式 ；有： ；4/2dFt 2/1/4）（ tFd其中=120MPa，F t=670N；则：d（4670/120） 1/2=2.6718 满足设计要求。184.4.4 缸筒壁厚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：=DP p/2式中：缸筒壁厚，mm；D气缸内径，mm；P p实验压力，取Pp=1.5PtPa材料为：ZL3，=3MPa 代入已知数据，则壁厚为：=DP p/2=806105/(23106)103=8mm取 =10mm，则缸筒外径为：D=80+102=100mm。195.控制系统机 械 手 控 制 系 统 是 伴 随 着 机 械 手 （ 机 器 人 ） 的 发 展 而 发 展 而 来 的 。 机械 手 是 在 早 期 出 现 的 古 代 机 器 人 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 机 械 手 研 究 始 于 20 世纪 中 期 ， 随 着 计 算 机 和 自 动 化 技 术 的 发 展 以 及 大 批 量 生 产 的 迫 切 需 求 推 动了 自 动 化 技 术 的 进 展 ， 也 为 机 器 人 和 机 械 手 控 制 系 统 的 开 发 奠 定 了 基 础 。机 械 手 控 制 系 统 经 历 了 以 下 几 个 阶 段 ： 机 械 手 完 成 放 射 源 转 运 年 代 、 化工 产 品 垛 机 械 手 年 代 、 工 业 用 机 械 手 兴 起 和 发 展 年 代 。机械手控制系统主要采用三种方式： 传统的继电器控制:控制系统装置图设计复杂、接线繁杂、易受干扰以至于存在可靠性差、故障多、维修困难等等诸多问题而逐步退出市场； 可编程控制器 PLC：控制系统运行可靠，使用维修方便，抗干扰性强，但是 PLC 一般成本较高；微机控制:有较强的智能性，价格便宜但也存在许多不足，即抗干扰性差，系统设计复杂维修技术难以被工作人员掌握。5.1 PLC 概括及在机械手中的应用5.1.1 可编程控制器国际电工委员会(IEC)对 PLC 的定义为： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计算、定时和算术运算等的操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种系统的机械或生产过程。可编程序控制器及其设备，都应按易于和工业控制系统形成统一整体，易于扩充其功能的原则设计。按 PLC 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面：1）用于逻辑控制： PLC 最基本，也是最广泛应用的方面。用来 取代继电器控制和顺序控制器控制。2）用于模拟量控制： PLC 通过模拟量 I/0 模块，可实现模拟量和数字量20之间转换，并对模拟量控制。3）用于机械加工中的数字控制： 现代 PLC 具有很强的数据处理功能，它可以和机械加工中的数字控制(NC)及计算机控制(CNC)紧密结合，实现数字控制。4）用于工业机器人控制5）用于多层分布式控制系统： 高功能的 PLC 具有较强的通信联通能力，可实现 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与远程 I/0 之间、PLC 与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。5.1.2 PLC 的特点1）可靠性高、考干扰能力强2） 控制系统构成简单、通用性强3） 编程简单、使用、维护方便4） 组合方便、功能强、应用范围广5） 体积小、重量轻、功耗低5.1.3 PLC 在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以 PLC 控制为基础从而实现机械手的各种动。5.2 机械手结构及其动作本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析:原点下降夹紧上升右移下降放松上升左移 215.3 工艺顺序及控制要求传送带 A 上的工件搬运至传送带 B 上。该机械手控制系统是由机械手装置和两条传送带及光电检测开关三部分组成。该机械手控制系统要求控制系统具有手动和自动两种工作方式，设备在调试或出现故障时，可用手动方式实现单步动作或调整设备恢复到原始状态的工作位置。机械手是一种典型的顺序控制方式，如图所示，在机电设备和生产中应用广泛。 图 5-1 PLC 控制的机械手示意图Figure 5-1 PLC control