基于PLC的气动机械手控制系统设计(全套CAD图纸)

1、基于PLC的气动机械手控制系统设计（全套CAD图纸）全套CAD图纸，联系695132052全套CAD图纸，联系695132052第1章结论1.1课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高,生产工况也有趋于 恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工 作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对 于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一 些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模 锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作

2、业,它可以按照事先制定的作业程序完成 规定的操作,有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某 些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动,机械手就 可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀 具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产 成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感 器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。近些年,随着计算机技 术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业 生产中提高劳动生

3、产率的重要因素。借助PLC强大的工业处理能力,很容易实现工业生产的自动化。基于此思 路设计的机械手,在实现各种要求的工序前提下,大大提高了工业过程的质量,而 且大大解放了生产力，改善了工作环境,减轻了劳动强度,节约了成本,提高了生 产效率,具有十分重要的意义。同时,借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自 动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准 确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机 械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作 业任务，在构造和性能上

4、兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应 性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着 广阔的发展前景。综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1. 2机械手的定义与分类机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器, 它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能 部分代替人工操作;其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置 来完成工件的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此,它 能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率

5、,加快实现工业生产机械 化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财 力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场 合,应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,它是一种 独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项 规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智 能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机。它起源于原子、军事工 业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来 进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手,主要附属于自动

6、机床或自动线上， 用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”， 它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用 的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。1. 3机械手应用及组成结构目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、 热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度, 改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,专用条件还要 研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、

7、升降、 横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构，以便 根据不同的作业要求,选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于 设计制造，乂便于改换工作,扩大了应用的范围。同时要提高速度,减少冲击,正确 定位，以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手 指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三 种。手指的数量乂可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据? 持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。本设计采 用二指

8、的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置 上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之, 机械手的运动离不开直线移动和转动二利I,因此它采用的执行机构主要是直线液 压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服 电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中 以电气、气动用得最多，占90%以上,液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是 通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、 气阀等。一般采用46个大气压，个别

9、达到8ro个大气压。本设计的手爪部分采 用气压驱动。电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用 机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。本设计采 用步进电动机驱动手臂运动,直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。机 械驱动只适用于动作固定的场合。机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两利1 目前以点位控制为 主，占90%以上。控制系统可以根据动作的要求,设计采用数字顺序控制,它首先要编制程 序加以储存,然后再根据规定的程序,控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采 用数字控制系统、小型

10、计算机或微处理机控制的系统本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现,具有编程简单、修改容 易、可靠性高等。1.4机械手的发展趋势机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经 成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,机械手技术有了新的发展：出现 了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系 统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作, 还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划,有效 的动态学习等）o机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃 发展的军用机械手也将越来越多地装备部

11、队。国外方面:近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能 不断提高，而单机价格不断下降;机械结构向模块化、可重构化发展;控制系统向 基于PC机的开放型控制器方向发展;传感器作用日益重要;虚拟现实技术在机械 手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械 手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手） 基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置, 软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配 套设备的全套自动通信、协调控制技术;在基础元件方面，谐

12、波减速器、机械手焊 接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说,本文国已经具备了独 立自主发展中国机械手技术的基础1. 5总体设计要求1 .机械手结构示意图图机械手示意图1、手爪张开闭合2、手腕旋转3、水平移动4、升降5、立柱旋转 6、手爪7、手腕电动机8、横轴9、竖轴10、竖轴电动机11、横轴电动 机12、底盘13、底盘电动机2 .机械手工作流程机械手工作流程是:开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动 机开始运转横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动。归位后首先横轴步进电动机工 作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位 磁头时，电动机停止,PLC控制

13、电磁阀动作，手张开;延时一段时间，竖轴步进电动 机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位,手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时 横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸; 到位后手爪旋转,然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开;延时后竖轴上升复位,然 后开始下一周期动。3 .控制要求1手臂上下直线运动。2手臂左右直线运动。3手腕旋转运动。4手爪夹紧动作。5机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，III PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现 手臂的进给和定位,手爪采用气压驱动。1. 6基本内容和拟解决的问题基本内容：1 .选择和确定总体设计方案；2 .设计电气控制

14、原理框图；3 .进行PLC的选型及I/O分配；4 .设计PLC硬件系统；5 . PLC控制程序的编写及调试；拟解决的问题：6 .首先必须对机械手进行调查,搞清楚PLC机械手的工艺过程、工作特 点、明确控制要求以及各阶段的特点之间的工作原理；7 .确定系统所需的用户输入、输出设备,选择合适的PLC类型，并分配I/O 占. /、，8 .机械手手爪的详细设计；9 .控制系统的程序设计。10 .绘制相关图纸。第2章PLC的介绍与选择对于机械手的控制系统可以采用多种方式,如继电器控制、单片机控制、 PLC控制等。但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好,所以,本文们 选择PLC控制。2. 1 P

15、LC的特点可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础 上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编 写的程序进行逻辑控制、定时.、计数和算术运算等,并通过数字量和模拟量的输 入/输出来控制机械设备或生产过程。高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电 路与PLC内部电路之间电气上隔离；（2）各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间 常数一般为1020nis; （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4）采用性能 优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选；（6）良好的自诊断功能,一旦 电源或其他软，硬件发生异常情

16、况,CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；（7） 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性 更进一步提高。丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流、 开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有相应的I/O模块 与工业现场的器件或设备，如:按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电 磁线圈、控制阀等直接连接。采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU,电源、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能

17、可根 据用户的需要自行组合。编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形 式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人 员所理解和掌握。安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直 接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运 行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的 计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制 器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要

18、进行 选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。2. 2 PLC的选型对于PLC的选择，本文们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多 点数，扫描速度，内存容量,指令条数,功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以 及工作环境对其的影响。1.常用PLC介绍PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有 一定区别，各个重点发展方向也不同，所以本文们必须根据自己设计需要,考虑如 何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与 通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其 核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。西门子S7-20

19、0系列PLC突出的 特点:可靠性高、操作简便;丰富的内置集成功能;强劲通讯能力;丰富的扩展模块; 简单、易用的Micro/WI编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一 个PC卡对于10点的机型来说,从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了 控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能,而且还可连接可编程 序终端,为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。 由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可 简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新,最具特色、最具代表性的

20、 微型PLCo在FX中，除基本的指令表编程方式外,还可以采用梯形图编程及对应 机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程,而且这些程序可互相转换。 在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中 断处理,扩大了 PLC的应用领域。其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计 数器,可获取最高50kHz的高速脉冲。2.确定型号FX1-6OMR综上,对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较， 力求具有较好的性价比,使用和维修方便;选用的PLC主机和配置、控制功能等必 须能满足被控对象的各种控制要求;选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新 一代P

21、LC机型,一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC,则选FX系歹儿 不选Fl系列)。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外， 留有一定的余量;确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及 编程指令的易懂性。在此,本文选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由 三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、 F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品,FXO是在FX2之后推出的超小型 PLC,近几年来乂连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FXOS、FX1S、 FXON、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC,具有较高

22、的性能价格比，应用广泛。它们 采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。3 .FX1N所具有优越性能CPU处理速度达到了 0. 065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM 存储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条 应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令,CRC计算指令，产生随机数指令等 等。晶体管输出型的基本单元内置了 3轴独立最高100kHz的定位功能,并且 增加了新的定位指令:带DOG搜索的原点回归(DSZR),中断单速定位(DVIT)和表 格设定定位(TBL),从而使得定位控制功能更加强大,使用更为方便。内置6点同 时100kHz的高速计数功能,双

23、相计数时可以进行4倍频计数。增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而 且最多可以同时使用3个通信口(包括编程在内)。新增了高速输入输出适配器, 模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方 便,在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器 可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过CC-Link网络的扩展可以实 现最多达384点(包括远程I/O在内)的控制。可以选装高性能的显示模块 (FX3U-7DM)可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示: 半角16个字符全角8个字符X 4行。在该

24、模块上可以进行软元件的监控、测试, 时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将 该显示模块安装在控制柜的面板上。2.3三菱FX系列的结构功能可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机 相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器 件乂与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所 不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换 器件的组合体的功能,采用软件编程进行它们之间的联系。本设计采用FX系列PLC作为控制核心,所以现在就以它来讲述PLC的应 用知识、操作技能。F

25、X系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部 分组成，其PLC的基本结构如图2-1系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一 个单元的,编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构,进行数据和指令 的传输。图2-1 PLC的组成框图外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量, 它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器,收集和暂存被控对象实际运行的 状态信号和数据;经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出 结果;输出结果送到输出端子作为输出变量,驱动执行机构。PLC的各个部分协调 一致地实现对现场设备的控制。PLC输入输出接口的安全保护

26、当输出口连接电感类设备时.，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输 出口造成破坏,应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源,应并接续流二极管, 对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51120Q,电容取0.0.47 UF,电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子,其额定 电压应大于电源电压的3倍。2.3本章小结本章主要介绍了 PLC的种类、特点以及PLC具有的功能优点,并且对本设 计选择了三菱公司的产品FX系列型号为FX1N-60MR的PLC,对FX1N-60MR系统的 功能及操作进行了说明还对其具有的优点进行了分析。图2-2输入输出口的保护图2-3PLC控制系统框

27、图第3章 各功能实现形式与控制方式3.1本机械手模型的机能和特性物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决 定的，因此,抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用 机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至 少要有一根“人造肌肉”来控制。本文们不要那么多自由度，因为根据实际情况 而言,控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂,相应的制造成本也就增加。本设计的机械手,它共有自由度5个。即：手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、 手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。3. 2夹紧机构机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活

28、、 准确可靠的要求。设计制造夹紧机构?机械手，首先要从机械手的坐标形式,运行 速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲 击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大 机械手的应用范围,还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏 被夹的物体,夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定 心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身 则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带 有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用

29、机械式夹紧装置。机械式夹紧是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动的方式 和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和 自锁式;按手指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分为弹簧式、 气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作， 从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位 开关完成回转角度的限位,一般可设置在180度。3. 3躯干躯干有底盘和手臂两部分组成。底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动,底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出 一个脉

30、冲，由传感器检测并送入可编程控制器,从而计算底盘旋转的角度。同时, 在底盘上装有限位开关,最大旋转角度可达180度。手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设 计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、 螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时 在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、 位置精度较高，传动效率较高。3. 4直流电机的选择本设计选用微型直流电机DS-45RP775如图3. 16,表3. 17所示图3. 16直流电机表3. 17直流电机主要参数型？号DS-45RP775

31、类型直流电动机额定电压3-24V外形尺寸齿轮箱直径45 (mm)3. 5步进电机的选用步进电机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元 件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累积误差等优点。它能够直接接 受数字信号,无需中间转换,直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应,能实现 直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检 测与反馈部分以及A/D、D/A转换,从而简化了系统机构，使控制成本大大降低。 在步进电机的选型上考虑到步进电机品种规格较多，仔细分析它们的特点，来恰 到好处的选择。步进电机按结构和工作原理可分为反应式、永磁式以及混合式等几种22 o

32、（1）反应式步进电机：乂称可变磁阻型（VR?Variable Resistance）,多为 单极性励磁,结构简单,精度容易保证,步距角小,启动和运行频率较高，但励磁电 流较大，电机内部阻尼小，低频时容易产生振荡，断电后无定位转矩。（2）永磁式步进电机:步距角大，启动频率较低，但控制功率较小,造价便 宜，内部阻尼大,不易振荡，断电后有定位转矩。但转子惯性也较大。（3）混合型步进电机:是永磁式和反应式相结合的一种形式。兼有磁阻式 步距角小、响应频率高和永磁式励磁功率小、效率高的优点。但是结构复杂，需 要正反脉冲供电，成本较高。根据几种常用电机的性能、特点分析,对该机械手的回转机构由于其要求 具有较

33、高的控制性能，乂具有定位转矩,所以选择混合型步进电机。选用步骤如 下：（一）步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率（当量）换算 到电机轴上,每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小 于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0. 36度/0.72度（五相电机）、 0. 9度/I. 8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。根据设计要求即选 择，故选择二相步进电机。（二）静力矩的选择静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯 性负载和摩擦负教二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起 动时.（一般由低速）时二种负教均要考虑

34、，加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运 行只要考虑摩擦负教。一般情况下,静力矩应为摩擦负教的2-3倍内好,静力矩一 旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。所以(4-14)式中？电机的转动力矩，；？加速起动时的惯性力矩，;?恒速运行时的摩擦力矩，；(4-15)式中？负载惯量，；?时间常数，；(4-16)式中？脉冲当量，；？步距角，；?时间常数，；?转动部分的质量,kg;则有所以即由此可知步进电机的最大力矩发生在快速起动的情况下，。为了使步进电机正常运行,正常起动并能满足对转速的要求,起动力矩选取为：(4-17)所以 本设计选用深圳市精博机电有限公司的型号为:J57HB51-03如图 3

35、-1二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作,相比直流电机有更好的制动 效果，乂加上滚珠丝杆和滑杆配合,使机械手的运动更加稳定。主要特点:体积小, 具有较高的起动和运行频率,有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法,其电 气接线图如图3-2所示：3. 6步进电机驱动器步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱 动器参数如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。PLC控制器与步进电机驱动 器连接及工作原理，如图3-2所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入 部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行 控制。驱动器电源由面板上电源模块提供，

36、驱动器信号端采用+24V供电，需加 1. 5K限流电阻（见图3-3中1. 5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效。PLC通过 控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电图3-1 J57HB51-03步进电机图3-2步进电机电气接线图表3-1电气规格说明 最小值典型值最大值 单位供电电压 18 24 40 V均值输出电流0.2111.50 A逻辑输入电流6 15 30 mA步进脉冲响应频率？ ？ 100 kHz脉冲低电平时间 5 ? 1 MS表3-2电流设定电流值SW1 SW2 SW30. 21A OFF ON ON0. 42A OX OFF ON0. 63A OFF OFF OX0

37、.84A OX ON OFF1.05A OFF ON OFF1.26A ON OFF OFF1.50A OFF OFF OFF表3-3细分设定细分倍数 步数/圈（1.80整步） SW4 SW5 SW61200 ONONON2400 OFFONON4800 ONOFFON81600OFF OFF ON163200ONONOFF32 6400 OFF ON OFF64 12800 OFF ON OFF由外部确定动态改细分/禁止工作OFF OFF OFF表3-4接线信号描述信号功能PUL脉冲信号:上升沿有效,每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号:用于改变电机转向,TTL平驱动OPTO 光耦驱动

38、电源ENA使能信号:禁止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相时，晶体管导通,相应的触电输出低电平,使驱动器光耦导通，当PLC输出 线圈失电时，晶体管关断，使驱动器光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用PLC 输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。3.7传感器本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。基座和气夹的正反转限 位采用接近开关（金属传感器）如图3-5,通过调整基座和气夹上的金属物的位置, 可以在一定范围内改变基座和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程 开关来限位,

39、并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。图3-3 PLC控制器与步进电机驱动器连接图图3-4传感器工作原理图1、接近开关:接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、 蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电频为低电频,否则为 高电频。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部 光耦与传感器电源构成回路,PLC信号输入有效,工作原理如图3-4所示。2、行程开关：当档块碰到开关时,常开点闭合。图3-5金属传感器3. 8直流电机驱动单元本装置中直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的 转动方向的，从而实现基座和气夹的正反转。

40、本模型所用输入、输出均为低电频 有效。其中IN端接PLC的输出端口，OUT端接模型的信号输入端。COM端接PLC 的传感器电源负端。电平转换板原理图如图3-6所示。图3-6电频转换板原理图3. 9旋转编码盘旋转编码盘：型号 RHI90N-0XAK1R61N-01024最大脉冲数:2500工作电压：10、30V空载电流:最大70mA电压降:2. 5V工作电流:最大每通道40mA短路保护,反极性保护输出频率:最大120KHZ紧凑型设计，外壳?90mm 机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制 器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图3-7。图3-7旋转编码盘可以通过改变程序

41、中计数器CO的初值来确定所要转过的角度，这里可以 通过用计算机读出指令表,然后修改得到不同的控制角度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统 所选部分器材列表如表3-5。表3-5所选器材列表名称 型号或规格数量 名称型号或规格数量PLC FX1N-60MR 1 限位开关 LX19-111 8电磁阀VF313O 1 转换开关 LW6-5 1按钮 LA1O-1H 13 熔断器 RC1A-3O/15 2连接导线若干3. 10本章小结本章对设计中夹紧机构做了介绍说明，并对直流电机、步进电机、编码盘、 直流电机驱动单元、步进电机驱动单元以及传感器进行了选型，其中还对步进电机相关数

42、据进行了计算与校和，最后绘制了器材列表。第4章机械手手爪的设计机械手的手爪是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之 一。由手指、传力或增力机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、 尺寸、重量以及其它一些特性如易碎性、导磁性、表面光洁度等的不同，手部的 种类也不一样。4.1手爪的种类及设计注意事项一、手爪的种类1、机械式机械式手爪是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动的方式 和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和 自锁式;按手指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分为弹簧式、 气动式、液压式等。机械式手爪由驱动元件、手爪夹持

43、部件、传动机构、手指及各种垫片、 附件等组成。夹持式是较常见的一种手部形式,其中常用的有两指式、多指式和双手双 指式:按手指夹持工件的部位乂可分为内卡式和外夹式两种；按模仿人手手指的 动作,手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型,其中以二支点回转型为 基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时.，就变成 了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成 为移动型。回转型手指开闭角较小，具有动作灵活、结构简单、制造容易、适应 性强、精度高等特点。因此,本系统采用回转型齿轮齿条传动的内卡式手爪。2、吸盘式吸盘式手爪是利用特制的橡胶皮碗形成真空而将工

44、件吸住。它与机械手 爪相比，具有结构简单、重量轻、表面吸附力分布均匀，以及能自动对准等特性, 适用于板材、玻璃件、弧形壳体零件，特别适用于冲压零件。但要求被吸物体表 面光滑、无孔无槽。根据工件的大小和轻重,可将几个吸盘同时装在一个手腕上。二、手爪的设计要求1、手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指 的开闭角应能保证被抓物件顺利进入或脱开,其大小直接与工件和手指的形状、 尺寸及手部接近被抓物件的路线等因素有关，同时还要注意路线周围的环境。若 夹持不同直径的物件，采用较大的开闭范围会增大驱动装置的行程和结构尺寸, 而且会增加手指开闭时间，所以手指开闭

45、范围不宜设计的过大;但对回转型手指来说,手指要有足够的张开与闭合角度。图4-1即为其结构尺寸示意图。图中表 示松开物件时图4-1手指张开最小距离与被抓取表面最大距离尺寸之间的距离关系在图4-1中，有A-D?C式中:A?手指松开物件后的最大尺寸；D?被抓取物件表面的最大尺寸；C?手指张开或闭合后与物件之间保持的最小间隙。（二）手指夹紧力的大小要适宜握力过大,可能损坏物件,还需要较大的动力源和较大结构，不经济;握力 过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和震动等因素的影响而抓不住物 件。在通常情况下，所需要的握力是物件重量的23倍。（三）各构件要有足够的刚度和强度,而自重要轻。（四）结构简单，

46、维修方便。（五）动作准确、迅速、灵活。4. 2手指的抓取机能及手指尺寸计算一、手指的抓取机能手指的抓取机能是由被抓取物件和手指共同决定的。被抓取物件大小、 形状、重量、材质和受外力的约束程度及运动情况,决定了手指能抓取的极限尺 寸、手指对物件的约束和握紧程度、抓取精度等。本机械手的手爪采用的是【】型槽的回转型手指，如图4-2所示。它是一种常用的夹持机构,适用于夹持圆柱型类物品。手指材料的恰当选用,对机械手的使用效果影响也很大，为了符合手部的结构尺寸，同时保证手指有足够的强度,本机械手的手指采用硬铝合金(2A12) o图4-2齿轮齿条式手爪二、手指的尺寸计算本机械手采用的是齿轮齿条式手爪,所以属

47、于双支点回转型手指,其工作 简图如图4-3所示，图4-3双支点回转型手指简图图中:？手指长度，即手指的回转支点A到【】型槽中心点B的距离；? J型槽的夹角；?偏转角；?两回转支点距离;物件轴心位置到手指两支点连线的垂直距离用表示。根据几何关系，可得(4 -1)整理得，(4-2)该方程为双曲线方程,经过分析得出以下结论：当时,有最小的值,即(4-3)的变化以为分界,左右两部分是对称的。当?时,夹持误差为和中较大者,即(4-4)(4-5)取(4-6)此处的s虽与其它参数之间没有直接函数关系，但它既影响夹持误差大 小，乂影响允许的最小夹持尺寸，故一般不能取很大。根据以上所讨论的双支点回转型手指的夹持

48、误差分析，来确定手指的主 要参数：?手指长度；?偏转角，要求手指的夹持误差Wlmm。按照设计任务要求，这里设置机械手抓取物体的直径最大为40mm，故取 40mm。取型槽的夹角，根据下式求得最佳偏角为：(4-7)即有(4-8)在双曲线上，由于和关于对称,所以，即即(4-9)对手指的夹持误差要求不要超过1mm,根据式(4-9)可写出约束条件为：(4-10)计算得：为了减小夹持误差，设计中可加长手指的长度,但手指过长，整个手爪结 构就要增大。在这里,为了进一步减小误差,而且使计算简便,取。此时,根据式(4-7)和(4-9)有所以夹持误差，结果与计算法吻合。从上面的计算以及验证结果可以看出, 实际的夹

49、持误差小于要求的夹持误差,所以以上对手指的主要尺寸所确定的数值 是合适的，此方案是可行的。根据硬铝合金的材料性能和可加工性能，确定手爪的其它尺寸如图4-4 所示。乂由机械设计手册查得高强度硬铝的厚度一般在510加,故取其最大 10mm,表面粗糙度等级为3. 2,采用车加工,齿轮部分采用插齿加工,精度较高。4. 3夹紧气缸的选用在自动化生产线中，各种形式的机械手应用越来越广泛。现代的机械手采 用各种电气、机械、液压、气动等驱动机构，并用电子系统进行控制，以实现模仿 人的手臂和手指动作。而其手爪的结构也是各式各样的,但以气动手爪应用较为 普遍。夹持式手爪的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。

50、在结构上， 单杆活塞缸应用最多。所以，本课题中夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸，双向 作用单杆活塞缸活塞两侧的有效面积不等,在气压相等时.,活塞上所受推力拉力, 如图4-5所示。图4-4手指各部分尺寸图图4-5气压双作用单杆活塞缸4. 4手爪驱动力的计算本课题气动机械手的手爪驱动装置采用双向作用的单杆活塞缸，【】形手指的角度是,按照设计要求物品的重量约为lkgo以手指【】形中心为平衡点,结构受力如图4-6所示,其力的平衡条件为:，所以有(4-11)图4-6结构受力图式中:？单个手指的计算握力(N);故,()又有(4-式中:？单个手指所需握力(N);?安全系数，(1.1. 5)?工作情况系数,主要考虑惯性力等的影响(1. 12. 5)?手爪的机械效率(0. 850. 89)该处取 1.3,2.0,0.85,则有即手指所需要的夹紧力为18. 64果根据齿轮齿条式手爪的夹紧力公式：可以得出：(4-13)式中:P?理论驱动力,N;b?平衡点到支点的距离,mm;