机械手设计研究

PAGEPAGEII机械手设计摘要在不断发展的工业现代化等因素的影响下，自动化在现代企业中显得愈发重要，像无人生产线以及无人车间等已经屡见不鲜。与此同时，在现代化生产过程中，高温、毒害气体以及放射性等不利于人工操作的生产环境都是存在着的，这会给企业发展以及社会生产造成极大阻碍。在这种情况下，机器人的作用就开始突显出来了，而作为机器人系统的执行机构，机械手在机器人中是必不可少的一大部件。电气方面一般由三大主要器件构成，一个是步进电机，一个是开关电源，最后一个则是电磁阀。该设备涉及到了可编程控制以及位置控制等多种技术，是极具代表性的一大机电一体化设备。从当前的实际情况来看，PLC早已被广泛应用于工业控制相关领域。在这篇论文中，笔者在对控制机械手运行的系统进行了设计。重点对PLC以及触摸屏进行应用，这样做让其触屏控制功能得到增强。关键词：机械手，PLC，触摸屏

目录摘要 I前言 11机械手相关概述 11.1机械手的结构 11.2机械手的工作过程 32系统的硬件设计 52.1设计方案 52.2触摸屏 62.3步进电机及驱动器 72.4气缸的选择 82.5元件清单 93系统软件设计 113.1PLC与触摸屏的设计 113.2梯形图设计 133.3机械手PLC程序设计说明 14结论 16参考文献 18附录：系接线图 19致谢 20PAGE8前言工业机械手是一种自动化设备，也是工业机器人的一种，主要是用来开展相应生产活动。它本身的科技含量是比较高的，从第一台工业机械手被发明出来到今天，也不过才几十年，发展时间比较短。机械手可以模仿人手和手臂的某些操作功能，可以用来按照相应程序抓取以及运输物品。它能够取代人工开展相应劳动，以此来进行机械式自动生产。采用机械手进行生产作业不仅能够很好的对各种生产作业环境进行适应，对于生产作业的准确性也能够进行较大幅度的提升，这就让生产活动的效率变得更高，这也意味着它在和国民经济相关的诸多领域中都有着非常广泛的运用，发展前景良好。我国劳动人民普遍并不拥有较高的工资水平，绝大多数的行业当前依旧是依靠大量的劳动力来进行生产活动，然而，现在机械手的普及率呈现出了逐渐提升的趋势，这代表着机械手在国内的运用将会越来越广泛。一些欧美的从事电子和汽车行业的跨国公司在最初落户中国开设工厂的时候，就对自动化的生产设备进行了引进，然而目前，在我国工业分布比较密集的华南以及华东沿海等地区的工厂在进行生产活动的时候也开始使用工业机械手来对人工进行取代，造成这种状况出现的原因有两个：一是较高的工人流失率让；一是为了追求更高的经济效益。我国的工业生产的发展速度是非常快的，伴随着这种快速的发展，国内的自动化程度也在快速得到提升，在装卸输送工件、操持焊枪、分拣流程等领域愈发不需要大量的劳动力。从中都能够显而易见地看出大力推广机械手是非常关键的。1机械手相关概述1.1机械手的结构在古典力学中，有这样的一种观点：三个坐标及其相应角度对固定在三维空间内的物体的位置起到了决定性的作用。因此，我们能够在理论上计算出可以在哪个位置以及从哪个方向也就是关节的角度来对物体进行抓握。在相关资料中，我们可以找到这样的记载：使用的机械手假如和人的上肢的机能想接近的话，那么它的自由度需要达到27个，一个“人造肌肉”只能够对一个自由度进行实现。这表示它需要的“人造肌肉”是27根。而每一根“人造肌肉”都要求重量轻、小型以及具备高输出力。要想实现这一点，以当前的技术水平来说，是比较难的。

在实际运用中，把机械手如此复杂化，动作上也会出现重叠，这并不具备什么必要性。假如，机械手需要能够在任何条件下都可以对物体进行抓握，这样的话，整体也好，本体也罢，不仅要能够对三个直线运动进行实现，三个旋转运动也要予以实现。这意味着该机械手的自由度要达到24个，然而在实际的运用中，这也不是必要的，而且这样不仅会提升机械手结构的复杂度，还会提升制造费用。所以，让机械手对人手的动作盲目的进行模仿是不应该的，也不应该过度的对它的自由度进行提升。在对机械手进行设计的时候，我们需要从实际需求出发，通过最少的自由度来完成所需要的作业动作。通常而言，通用机械手一般拥有的自由度是4个或者5个。然而，笔者在这次的设计对象只是普通的机械手。所以选择它的自由度有三个。其一是\t"D:/%E6%94%B9%E7%A8%BF/%E6%96%B0%E5%BB%BA%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%A4%B9/%E8%BF%94%E7%A8%BF/11.04/PaperPass-%E4%B8%93%E4%B8%9A%E7%89%88-%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"手臂左右伸缩。其二是手臂上下摆动。其三是手指抓握。（1）夹紧机构手爪主要用于抓取工件。在对工件进行抓取的时候，其除了要做到迅速外，还要求具备较高的灵活性，准确度以及可靠性。所以，在设计手爪的夹紧机构并对其进行制造的时候，我们首先要考虑的除了机械手的坐标形式，还有机械手的运行速度以及机械手的加速度。手爪需要夹持物体的重量、惯性以及冲击力决定了手爪夹紧力的大小，我们可以通过计算来得出结果。除此之外，我们还需要对手爪的开口尺寸进行考虑，这样是为了对被抓物体在尺寸上的变化予以适应，从而让机械手的应用范围得到扩大。同时，抓取机构也需要具备多样性，这样做目的的是为了按照实际的不同需求来对手爪进行更换。为了给被抓取物体的完整性提供保证，手爪要使用合适的夹紧力去抓取物体，这样我们就需要对手爪的夹紧力进行设定，把它限定在一个合适的范围之内。假如出现突然断电的情况，被抓的物体就会落下从而造成损害，为了防止这种情况出现，设备还需要拥有自锁结构。夹紧机构本身并不具备复杂的结构，也不具备较大的体积和重量，动作灵活性比较高，工作也具备较高的可靠性。夹紧结构样式众多，其中较为重要就有机械式以及电磁式等。也有部分夹紧机构不但要设定相应的传感设备，还要配备相应工具维护其便利性。本文在进行相应设计的时候，夹紧装置选用的是机械式。在全部的夹紧结构中，机械式夹紧是最为基本的。它有着非常广泛的应用以及非常多的种类。比如：根据手指运动的方式来进行分化；根据模仿人手的动作来进行划分；根据使用的动力原则分。笔者在进行这次的设计的时候，把手爪设计为二指式能够通过气动来控制的手爪。通过对可编程控制器进行利用，我们可以对电磁阀动作来进行控制，从而来实现对手爪的控制，使其能够开合。而手爪回转动作的实现则是借助一个步进电机来完成的，至于回转角度的大小，我们可以设置两个限位开关来对其进行控制，一般来说，回转的角度通常设置在0-180°之间。（2）躯干其主要由两部分构成。其一是手臂，其二是底盘。底盘主要对机械手所有的重量进行支撑，并对手臂进行带动，使其旋转的机构就是底盘。对于机械手来说，它的主要部分就是手臂。它能够对手爪、工件形成支撑，并带动他们进行带动。在这次设计中，笔者采用一个横轴和一个竖轴来对手臂进行组成，让手臂在能够实现自由伸缩的同时也能够进行升降运动。步进电动机能够对丝杆以及螺母进行带动，这样就使得手臂能进行伸缩运动或者升降运动。脉冲信号被可编程控制器发射出去后，会通过步进电动机驱动器之后就会形成动力来驱动步进电动机旋转，滚珠丝杆因此被带动进行旋转，手臂的运动因此得以完成。假如我们对脉冲发出的个数进行改变的话，就能够对手臂两个轴运动之间的距离进行控制。通过两轴两端所增加的限位开关我们就可以进行限位。1.2机械手的工作过程通常情况下，对于机械手而言，其工作主要有五种类型。第一种是回原点工作。第二种是手动控制。第三种是单步运行。第四种是单周运行。第五种是连续运行。在将工作形式选定之后，按下相应开关，就可以让其按照规定形式运转。系统原点状态就是机械手处于最上或最左的位置，且保持松开形态。而其工作的一周期就是自A处将工件运至B处且回到原点。具体情况可见下图2.1。从上述相应情况来看，本文在控制中主要用到了PLC及触摸屏。具体来看，机械手的相应部件都没有出现变动，关键就是将PLC的输入输出点和限位开关触点、电磁阀线圈连接在一起了。在接触平中对控制开关进行了相应模拟，使得相关电路被简化。最后，本文在选择使用的是FX2N-48MT的PLC以及MT4200T触摸屏。通过对其相应作用的发挥，让机械手能够实现自控以及转换工作状态，然后将相应信息传递给触摸屏，并进行相应展示。利用触摸屏，相应工作人员能够设置及选定机械手工作的相应状态。图2.1机械手的构成及工作示意图

2系统的硬件设计2.1设计方案\t"D:/%E6%94%B9%E7%A8%BF/%E6%96%B0%E5%BB%BA%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%A4%B9/%E8%BF%94%E7%A8%BF/11.04/PaperPass-%E4%B8%93%E4%B8%9A%E7%89%88-%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"三菱FX2N系列作为一种小型的PLC是由日本生产制造的。它不仅在性价比上比较高，在功能上也比较的完备，也有着较为丰富的指令等等。优势非常明显，能满足对本对象各项控制性能要求。所以，在这篇论文中，笔者把三菱FX2N系列的FX2N-48MT作为系统的基础模块。能够自动对机械手进行控制的系统需要具备较高的安全性、可靠性、稳定性以及扩展性，从这个方面作为思考的出发点的话，PLC这种新型的通用工业自动化控制装置本身就具备较高的可靠性，而且对于干扰也有着较高的抵抗能力。PLC的核心是微处理器，虽然它小，但是其中充分的对一些新技术进行了运用，如微型计算机技术、自动化控制技术以及通信技术。其具有以下特征：第一，可靠性高。第二，I/O接口模块丰富。第四，结构是模块化的。第五，编程简便易懂。第六，便于安装与维修。PLC中有为数不少的功能模块具备一些特殊的功能，这样，它对于诸多特殊的控制要求都能够予以满足。其有着非常严谨的结构，体积不大，同时非常可性。对于振动，它有着较高的抵抗能力。对于潮湿给设备带来的侵害，它能够起到一定的抵制，而且能够在高温的环境下进行作业。这样的有点让它能够轻易的被人在机器设备内部进行安装，机电一体化产品由此产生。不仅如此，PLC内设的是DC24V的电源，所以，当需要使用外部电源对传感器进行驱动的时候，我们必须要选择使用DC24V的电源，这样的话，不需要电源对其进行处理，外部元件就能够和PLC直接连在一起，并没有发挥中间电路作用的必要。通过控制的基本要求可以看到，机械手一般在工作的状态下，要可以完成五项工作形式。但是在现在的整体技术发展的状态下，很多电机都需要进行对应的控制方式的认定。在这里机械手在停止的时候，需要进行自锁的设计，同时在很多工作当中还需要实现一定相应的旋转的操作。所以在这里进行设计的时候，主要是运用步进电机和伺服电机的形式。机械手控制的方式整体的精度不需要达到很高的状态，因此对于反馈的问题可以忽略不计。步进电机和一般的电机的形式存在很多不同，但是主要的工作方式是为了能够实现力矩的传递和角度的变化。图3.1控制的系统框架图2.2触摸屏电阻式触摸屏在控制中主要依靠的是压力感。其主要由一块薄膜屏构成，它具有复合式以及多层化的特色。在手指接触到屏幕的时候，导电层在相应地方就产生了接触，使得电阻出现了更改。此时，X与Y对应方位就会有相应信号形成。然后该信号就会被传递给控制器。在该接触被侦查到，且相应位置被测出来后，该触摸屏就会按照鼠标模拟的相应形式进行工作。其工作时会彻底隔离外界的影响，在工控较多领域都应用得极为广泛。因此选用本系统触摸屏硬件是用基于WindowsXP操作系统的MT4200T型触摸式面板,MT4200T的显示尺寸是4.3寸，分辨率是480×272，显示色彩是65536真彩，触摸板：精密电阻网络，COM0:RS232、RS485、RS422。新性的操作员控制和监视功能,可通过以下方式下载:RS232、USB、通过以太网。图3.2触摸屏与PLC的连接2.3步进电机及驱动器在这里使用的步进电机是两相混合式的。其型号是MT86STH117-4204A。在这里的电机的力矩的形式是8.2N.M的模式，主要的电流状态是1.68A。在系统中可以达到较好的使用效果，连接电源的时候，要充分的重视导线的状态。在输入电源时，信号源通常都是通过FPO主机来实现的，因为这种主机在使用的时候，能够进行二十四伏的电压的提供，所以还需要进行保护电路的设计。输出的部分在设计的时候，要充分的重视连接的顺序，不可以出现混乱的现象。图3.3步进电机接线原理图在这次的设计过程中，运用的是步进驱动器的形式。电源的模式主要是铭伟DM150。这种开关在使用的时候，效果较为可靠。整体的压力使用的状态也较好，能够实现一定的电压保护的状态。参数的相应情况能够通过下面的表格看到：表3.1步进驱动器电源的参数输入交流电压110~220V/50HZ,60HZ输出直流电压24V最大功率156W工作环境-10~40摄氏度2.4气缸的选择通过设计的方式，我们应该能够看出：在进行抓取的时候，重量要维持在一到三千克的状态。通过相关的理论分析则可以得出：抓力的最小状态要超过六十牛顿的力。计算形式如下：通过设计的状态能够看出，气源通常压力会超过0.2MPa，但是不能够超过0.85MPa。在计算的时候，和都是已经知道的数值。同时。所以得到如下的计算：即，得出在这个公式当中，代表理论上的气缸出力情况。代表的是工作压力。代表的是活塞受压面积。通过最后得到的相关数据，能够将气缸的标准状态找到。它是复动式，型号为：SNS公司生产的QGB(SC)-40*100-S-CB。其符号代码具体表示的含义：QGB（SC）表示标准气缸；40*100表示气缸的内径*行程；S表示该气缸是带磁性的；CB表示后盖固定式（双耳型）。选择的磁感应开关是SNS公司生产的型号为CS1-U（U表示与标准气缸配套的向上型的磁感应开关）。气缸具体参数表如表所示。表3.2气缸具体参数表型号QGB(SC)-40*100-S-CB内径40mm动作形式复动型使用流体空气固定形式CB型使用压力范围0.4～0.9MPa保证耐压力13.5MPa使用温度范围0～70℃使用速度范围50-800mm/s缓动形式20mm接管口径G1/8想要在进行货物抓取的时候，实现松开设计，就要运用电磁换向阀。这种阀体能够实现运动的效果，通过空气的气路就能够使得操作的动作走向反方向。通过气缸的基本状态的认定，同时在电磁阀的基础上实现工作，在这里笔者运用的型号的模式是：SNS公司生产的4V130C-06的二位五通的电磁换向阀。在这里的符号形式是：4V是规格代号，也就是二位五通电磁阀。1是系列代号，也就是1：100系列。30C是线圈和位数，也就是双头三位置封闭型。06是接管口径。2.5元件清单表3.3元件清单元件名型号数量PLC三菱FX2N-48MT1台触摸屏EviewMT4200T1台步进电机MT86STH78-4204A1台MT86STH117-4204A1台步进驱动器GMD032个气缸SNSQGB(SC)-40*100-S-CB1个电磁换向阀4V130C-065个开关电源铭伟系列DM1501个熔断器RL1-151个机械机构1套限位开关4个按钮9个选择开关1个关电开关1个配电箱1个导线若干

3系统软件设计3.1PLC与触摸屏的设计三菱FX2N-48MT系列PLC的整体编程的指令是非常简单方便的，在使用的时候，能够达到的效果也非常好。在这里可以运用梯形图等各种形式的操作方式实现基本的状态。在使用之前还能够运用编程的软件来进行操作，软件编程的方式也都能够在电脑上实现。运用PC/PPI电缆就能够实现模块的连接，同时将波特率设置成19.2k的大小。如果软件当中的参数是完善的，那么在连接的时候，就可以实现一定的图形的编写。在程序当中，运用的指令是非常复杂的。不同的程序模式最后实现的操作的效果也是不同的。触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,所触摸的位置由触摸屏控制器检测,并通过接口送到CPU，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括两个部分:触摸屏控制器和触摸检测装置。具体来看，其相应设计情况可见下图4.1以及4.2。图4.1触摸屏与PLC的通讯图图4.2PLC的串口设计3.2梯形图设计图4.3机械手PLC控制初始化程序梯形图图4.4机械手PLC手动操作梯形图图4.5机械手PLC回原点控制梯形图图4.6机械手PLC自动循环控制梯形图3.3机械手PLC程序设计说明机械手在实现自动化的时候，选择的是可编程控制器的形式。在电源接通的状态下，M8000处于闭合的状态。假设机械手是在其他的位置上，那么X0和X2仅仅有一个可以闭合。M8044和Y5不会出现任何变化，在这种状态下，HL就会是点亮的。也就是说机械手的位置回到了原点。第一，把开关的位置再次放到手动的状态，在这里S0的形式是开启的状态。主要的模式能够通过梯形图看出，如果在按下下降点动按钮SB1的时候，X4是闭合的状态。Y1如果接通，那么机械手的运动形式就是下降的模式。在运行其他按钮的时候，机械手都能够实现相应的动作。第二，把开关SA1放到原点形式的时候，S1是开启的状态。通过梯形图的形式可以看到，如果按下回原点启动按钮SB5的状态下，X15是闭合的形式。转移在S10的时候，机械手的状态是运动向上的。当上升到一定位置的时候，就会触碰到限位的开关。第三，将SA1放在单步运行的状态下，在一开始的时候是IST指令，这种指令能够实现M8040接通的效果，但是不能够出现状态移动的问题。然而自动按钮在闭合的时候，X16也是闭合的状态。同时特殊辅助继电器M8042就会出现相应，进而产生闭合的效果。那么M8040就是关闭的状态，进而出现移动。当在按下SB6的时候，就能够依照梯形图实现全部的工作。第四，将开关放在单周期的状态下，一开始的运行IST指令就能够使得M8041出现动作，进而产生SB6接通的现象。通过图形就能够看到，如果循环在完成之后，通过S28就能够实现S2的变化。但是S2不可以成为S21的状态，所以一个周期在完成之后，就可以实现最后的操作。第五，把开关放在自动循环的状态下，一开始的运行IST指令就能够使得M8041处于开启的状态。机械手在运动回到原来位置的时候，通过梯形图就能够看到M8044是开启的状态。因此这种工作就可以实现持续的循环的效果。

结论在这里进行机械手研究的时候，所有的过程都是比较完善的。但是实际上还存在很多不足的地方。在近两个月的设计过程中，老师给予我的帮助是非常多的。机械手的设计本身就是一种复杂繁琐的工作，没有老师的帮助，我对于这种设计就没有深入的理解。程序控制是自动化控制的基础，所以可编程控制器的使用在以后是一种长期发展的趋势。通过研究这个方面和这个行业的很多知识问题，我发现我的很多认知都还是非常浅显的状态。进行这次的设计还让我懂得了系统学习的方式和最后的效果的完善，可编程控制器在机械手的使用中，不管是原理，还是系统开发过程开始成为行业中的知识要素。系统的学习方式要有设计以及生产和最后调试的过程，缺少任何一步都会使得最后的效果变差，甚至出现不能够使用的问题。因此在进行设计的过程中，一定要能够从实际的角度出发，尽可能的通过实际操作，让实践的效果更好。在对系统进行设计的时候，知行合一这一点让笔者有了非常深刻的体会。笔者虽然对大量资料进行了整理参考，但是在实际进行设计的时候，依旧遭遇了一些困难以及许多意想不到的问题。通过大量的修改，笔者才设计出来了和控制实际需求相符合的系统。因为个人能力存在限制，所以在这次设计中自然会有一些不足存在，希望诸位老师能够予以斧正。

参考文献[1]丛明,刘冬,杜宇,孙强.PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2011,09:66-69.[2]张金环.触摸屏在机械手控制系统中的应用与设计[J].机电产品开发与创新,2011,05:138-140.[3]胡志刚,陈伟卓.基于触摸屏的气动机械手控制系统设计[J].自动化技术与应用,2014,01:83-85+88.[4]胡志刚.基于S7-200PLC的气动机械手控制系统设计[J].机械工程师,2014,