自动分拣工件机械手的设计

题目自动分拣工件机械手的设计

目录

1.自动分拣工件机械手设计的要求、目的及意义.....................1

1.1要求...........................................................3

1.2目的及意义....................................................3

2.总体方案设计与论证............................................4

2.1总休方案设计...................................................4

2.1.1主体功能..................................................4

2.1.2执行机构..................................................5

2.1.3驱动机构..................................................6

2.1.4控制机构..................................................6

2.2总体方案论证..................................................4

2.2.1调试过程....................................................6

2.2.2调试中出现的问题及解决方法.................................7

2.2.3结果分析....................................................8

3.机构分析与计算....................................................3

3.1机械手总体设计...................................................8

3.2机身的总体设计...................................................9

4.关键部件设计与校核..............................................4

4.1机械手手抓的设计计算.............................................9

4.1.1选择手抓的类型及夹紧装置.....................................10

4.1.2手抓的力学分析...............................................11

4.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算.................................11

5.结论............................................................12

6收获、体会.......................................................12

7.参考文献.........................................................13

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1、自动分拣工件机械手设计的要求、目的及意义

1.1要求

1、机械手将传送带A上的大号物品传送到传送带B上，其他小号的物品让

其流走。机械手所有的动作均由液压驱动，上升，下降，左移，右移均

由（双线圈）三位四通电磁阀控制，夹紧，放松用一个（单线圈）二位四通

电磁阀控制，通电夹紧，断电放松。所有电磁线圈驱动电源：直流，电

压24V,电流1A,位置检测用：行程开关，光电开关，压力继电器。

2、系统操作可实现单循环，自动循环功能。

3、设计控制系统和输入/输出信号调理电路及功率驱动电路原理图。

4、设计控制系统程序流程图并用汇编语言编写其中的某一段程序。

5、设计操作台面板布置示意图。

6、编写设计说明书和使用说明书。

7、在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单，经济。

1.2目的及意义

现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济

时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计

算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。而机械手控制系统则逐步发

展为与计算机互联，使机械手控制系统更加智能化，操作更加简单方便。

随着自动化的发展，机械手（机器人）应用将更加普遍，尤其随着汽车行

业和塑胶行业的发展，西欧、日本、苏联和中国等地域机械手开始百花争

放，可以这样讲，未来的人类社会将是机械手的时代。

该课程设计的自动分拣机械手属于搬运机械手。所谓搬运机械手，就

是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有很大的操作空间

和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机

械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但

由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对锻运

机械手的研究具有相当的挑战性。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动

抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“上

卜.料机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、

低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人

进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊

接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来

越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机

床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，

制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控

制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用巩械手能很快的改变工作程序，

适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应

用。

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2、总体方案设计与论证

2.1总体方案设计（执行机构、驱动机构、控制机构）

2.1.1主体功能

（1）pbl、pb2系统总控制开关,继电器XO、XI

⑵PS1工件检测光电开关，继电器X6

⑶LSI控制机械手的夹紧与放松，继电器Y5

⑷LS2控制工作台的左转和右转，继电器Y3、Y4

⑸LS3控制工作台的上升与下降，继电器Yl、Y2

（6）图上省略左转和右转（X3、X4）、上升与下降限位开关（X5、X2）以及

传送带A、B电动机（Y6、Y7）、液压马达（Y0）

按下工作启动按钮，传送带A、B开始工作。当光电开关检测到工件时传

送带A电动机停止运转，机械手下降电磁阀工作，机械手下降，到达下降限

位接近开关，机械手停止下降，夹紧电磁阀工作，夹紧工件，2秒钟后机械

手上升电磁阀工作，机械手上升，到达上升限位接近开关，电动机左转电磁

阀工作，机械手旋转电动机左转，将工件运到传送带B上方，机械手左转压

到左转限位开关，机械手旋转电动机停止运转，同时机械手下降，到达限位

4

接近开关，机械手停止下降并松开释放工件，2秒钟后机械手上升，到达限位

接近开关，传送带E电动机工作，传送带B带动工件运行，同时机械手旋转

电动机右转，机械手右转压到右转限位开关，传送带B电动机停止运转，传

送带A电动机又开始工作，机械手开始循环工作.......

2.1.2执行机构

即直接抓取工件的部分，由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和

吸附式手。本设计项目中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，本设计

采用回转型。手部多为两指(也有多指，本设计采用两指)；指形也有不司设

计，常用的指形有平面、V形面的和曲面的，本设计采用平面行的设计；手指

有外夹式和内撑式，木设计采用外夹式：另外，根据需要分为外抓式和内抓

式两种，本设计采用外抓式。如上图可以看出。

2.1.3驱动机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械

手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。本驱动机构

是液压驱动，所有动作都可以通过液压实现。

2.1.4控制机构

本设计是自动化分拣工件机械手，所以肯定采取自动控制。我们学这单

片机和PLC课程。俩者各有利弊，可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心,

综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动片制

装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方

便等一系列优点。PLC在电磁阀的控制等领域己经得到了广泛的应用。所以，

对于该分拣机械手首先想到的是PLC。采用PLC能灵活控制机械手的操作，而

且操作简单方便；另外，PLC控制器的稳定性是其成为工控首选的原因。

所以本设计采取三菱FX2N-48MRPLC。

(1)控制系统设计

在一条自动生产线上，由机械手将传送带A上的物品传送到传送带B上。

机械手的上升、下降、左转、右转、夹紧、放松动作分别由电磁阀控制液压传

动系统工作，并用限位开关及光电开关检测机械手动作的状态和物品的位置。

传送带A、B均由二用鼠笼型异步电动机驱动。电动机应有相应的保护。

(2)PLC(I/O)分配

输入元件输入继电器输出元件输出继电器

启动开关X0上升电磁阀Y1

关闭开关XI下降电磁阀Y2

复位开关M10左转电磁阀Y3

上升限位开关X5右转电磁阀Y4

下降限位开关X2夹紧电磁阀Y5

左转限位开关X3传送带A电机Y6

5

右转限位开关X4传送带B电机Y7

光电开光X6复位电磁阀M4

液压马达Y0

辅助继电器

(3)程序设计

上图为实现自动化控制所画的流程图，根据上图可以轻松的设计出如下的梯形

图：

6

这个程序是严格按照设计要求来编的,程序中加入的M4辅助继电器起到复

位作用，启动开关是X0,停止开关是XI,程序中还加入了了两个计数器CO、Clo

其中计数器CO对下降限位SP2(X2)计数，从而实现机械手到达二号(B)传送

带时松开机械手放置物品的控制。计数器C1对上升限位SP1(X5)计数，从而实

现机械手在松开机械手放置物品以后上升第二次压到上升限位SPKX5)的时候

实现右转的控制。

2.2总体方案论证

2.2.1调试过程

按下启动开关X0以后,观察六秒钟以后,传送带A(Y6)的灯是否亮,如果不

亮，说明传送帝A的电磁阀Y6没有得电，相关开关没自动作，重新查看程序，修

7

改好;如果灯亮,说明这一步程序正常.接下来按下光电开关（模拟光电开关检

测到物品），观察机械手是否下降（Y2）,如果没有下降,说明这一步程序设计得

有问题，修改程序,再监测；如果机械手下降,程序正常继续下一步程序检

查.

压下下降限位开关,不要松开，观察机械手的夹紧（Y5）检测灯是否同时亮

起来,如果没有,程序错误，修改程序,再作检测；如果灯同时亮了，程序正常,继

续下-一步检查.看看两秒钟以后机械手是否上升（机械手上升［Y1］检测灯是否

亮），如果灯没有亮,说明定时器没有起作用，检查修改这一步程序；如果灯亮了,

说明程序正常,继续下一步的检查.压下上升限位开关，同时松开之前所压的下

降限位开关,观察机械手是否左转（机械手左转［Y3］监测灯是否亮），如果没有

亮,说明这一步程序有问题,检查问题然后修改;如果灯亮了，说明程序正常,继

续下一步检查.

接下来按下左转限位开关（注:上升限位开关依然被紧压，机械手下降才松

开），观察机械手是否下降,如果不下降,说明程序有问题,检查程序，作相应修

改;如果机械手下降（机械手下降的监测灯亮），松开之前压下的上升限位开关，

但左转限位开关不能松开.按下下降限位开关,刚才机械手是否动作（机械手松

开），如果动作，程序正常，不然就不正常,机械手动作以后，观察两秒钟以后机

械手是否上升,如果不上升,程序有问题;如果上升,松开下降限位开关,此时左

转限位开关依然处于压下状态.继续下一步检查.

按下上升限位开关,观察传送带B是否动作，以及机械手是否同时右转（Y4）,

如果同时动作,什么程序准确,不然就有错误,得修改程序.然后同时松开左转

限位开关和上升限位开关,观察传送带B和机械手是否同时停止动作,及传送带

A是否动作,如果答案是:是,那程序正常,所有程序调试完成。

接下来调试复位开关，当机械手传送带在运作中的时候,按下停止按钮,看

看能不能复位，如果可以，什么复位正常,程序准确，如果不能，就应该找出问题

并且修改程序了。

2.2.2调试中出现的问题及解决方法

调试过程中，由于好多按键是配合使用的,使用经常会出问题,对程序的设

计要求比较高,有时候好难顾及到多个方面，例如:机械手还没有上升的时候，

卜.降限位开关必须被压卜;机械手还没有左转的时候,右转限位就必须一直被

按着,虽然只是简简单单的描述，但真正到了编程的时候,要求就比较高了，好

多时候,在顾及到机械手右转的同时，传送带B没有动作;或者在松开上升限位

和左转限位的时候,传送带B和机械手右转还是动作的.

解决方式也是有好多的,最好用的就是一边调试一边修改程序,最终完成

程序的编写.

2.2.3结果分析

通过运行自己设计的正确程序，可以实现用机械手将物品从传送带A移到

传送带B,整个过程通过手动结合程序控制，PLC控制的机械手传送带系统比

较大的优点就是容易作出相应的修改，从而适应不同的场合，而且控制比较简

单明了。

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机械手的上升、下降、左转、右转、夹紧、放松动作分别由电磁阀控制液

压传动系统工作，并用限位开关及光电开关检测机械手动作的状态和物品的位

置。传送带A、B均由三相鼠笼型异步电动机驱动。

3、机构分析与计算

3.1机械手总体设计

3.1.1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：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标（极坐标）型机

械手；（4）多关节型机机械手。其中圆柱坐标型矶械手结构简单紧凑，定位精度

较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。

3.1.2机械手的主要部件及运动

在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要

求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；

手臂升降5个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采

用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合；（2）腕部，采用一个【可转液压缸实

现手部回转180。；（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动50mm；（4）机身，采用一个直

线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

3.1.3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，工业机械手的驱动机构大致可分为液玉、

气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、

控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。

3.1.4机械手的技术参数列表

一、用途：搬运:用于车间搬运

二、设计技术参数：

1、抓重:6Kg（夹持式手部）2、自由度数:5个自由3、座标型式:圆柱座标

4、最大工作半径:60mm5、手臂最大中心高：100mm

3.2机身的总体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂180（）的I可转运动，实现手臂的I可转运动机构一般

设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构

有以下几种：

（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点

是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。

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(2)I可转缸置于升降之上的结构。这种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。

(3)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：齿条

的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。

分析：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运

动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件

与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片5缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸

的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活

塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的卜端盖用键来固定，卜.短盖与连接地面的的

底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在

内部，结构紧凑。具体结构见下图。

驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向

回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考

虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转

180°

4、关键部件设计与校核

4.1机械手手抓的设计计算

4.1.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角

△/=60。，夹取重量为6Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附

两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本

设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为I可转型和平移型。平移型手

指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向

尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动

力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不

选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装

置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被

压缩，从而机械手手指张开。

4.1.2手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1(a)为常见的滑槽杠杆式手部结构。

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(a)(b)

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

在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心0点，两手指1的滑槽对

销轴的反作用力为R和F：,其力的方向垂直于滑槽的中心线。［和0g并指向。点，交6和

8的延长线丁A及B。

由ZE=o得

得

由Z%(F)=O得

・・・

cosa

式中a一一手指的回转支点到对称中心的距离(mm)；«一一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，则握力相也随

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。=30°一40、

4.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算

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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，一定进行

机械手的夹持误差。

图3.3手抓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80mm-180mmo

一般夹持误差不超过1mm,分析如下：

90+40

工件的平均半径：勺=丁=65〃〃〃

手指长/=1，取V型夷角2。=120。

偏转角△按最佳偏转角确定:

P-cos_1=cos-1---------=46°

Isin0100xsin60

计算%=/singeos尸=100xsin600cos46°=60.15