模拟机械手动作的设计与制作

模拟机械手动作的设计与制作

作者：渠吉河

【摘要】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。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。

机械手主要由手部和运动机构组成。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2～3个自由度。

机械手的种类，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

【关键字】机械手 PLC 电磁阀 现在工业

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第1章 绪论

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。

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第二章 方案的论证

满足该设计要功能可以实施的方案很多,现提出下面两种方案 方案一：

工作原理如图2-1：将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关。

图2-1 方案二：

工作原理如图2-2：将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关

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图2-2

论证总结： 方案一：

在没有确定设备是否曾在问题的情况下，通过西门子调试首先我对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均亮。 方案二：

在没有确定设备是否曾在问题的情况下，通过三菱软件调试首先我对设备进行了检测，在方案一所出现的问题现在都可以正常的通过，在方案二的使用过程中所有的现象都可以根据任务书上的相一致，方案二通过。

综上所述方案二合理可行，所以我选择方案二。

第三章 模拟机械手总体设计方案

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一 设计内容及要求

将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关。

通过对本课题的设计，让学生对所学习过的可编程控制器的知识进行再巩固，并且能够通过本次的设计，锻炼学生对PLC在工程中的设计能力，同时也提高他们 的实践能力，能够更好地适应以后的工作要求。 二 思路、方法和要求

根据课题的主要内容，至少选择两种以上的设计方案，根据简单、容易，方便调试的原则自行确定某一具体实施方案。根据确定的方案，自主设计硬件电路，确定元器件，在面包板上组装硬件电路，并进行调试，记录结果。最后以独立整机的形式提供验收。 三 PLC简介

PLC的硬件结构如图3-1：

主机 微处理器（CPU）——控制器的核心 存储器(RAM、ROM）

输入、输出部件 （I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路 电源部件——为PLC内部电路提供能源 整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内

模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成 I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机） 另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内

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图3-1

1 中央控制处理单元(CPU)

可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。

通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。

2 存储器

可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。 系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。

用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。

3 输入输出接口

作用：连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。

对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。

PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。 ① 开关量输入接口电路

各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号

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进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。

通常有三种类型：直流(12∽24)V输入、交流(100∽120)V输入与交流(200∽240)V输入和交直流(12∽24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供如图3-2。

图3-2直流输入接口

②开关量输出接口电路

有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。

开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A如图3-3：

图3-3交直流输出接口

四 搬运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，机械手的动作过程。

1、 输入输出接线

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如图3-4：

输 SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 输 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 HL 入 X0 X1 X2 X3 X4 出 Y0 图3-4

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即如图3-5：

图3-5

主机模块的COM接主机模块输入端的COM和输出段的COM1、COM2、COM3、COM4、COM5。 主机模块的24+、COM分别接在实验单元的V+，COM。 2、打开主机电源将程序下载到主机中。 3、启动并运行程序观察实验现象如图3—6。

图3—6

如图3—6：当机械手处于原位时，上升限位开关X002、左限位开关X004均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M100置“1“，Y005线圈接通，原位指示

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Y1 Y2 Y3 Y4 Y5

灯亮。

按下启动按钮，X000置“1”，产生移位信号，M100的“1”态移至M101，下降阀输出继电器Y000接通，执行下降动作，由于上升限位开关X002断开，M100置“0”，原位指示灯灭。

下降到位时，下限位开关X001接通，产生移位信号，M100的“0”态移位到M101，下降阀Y000断开，机械手停止下降，M101的“1”态移动到M102，M200线圈接通。M200动合触电闭合。夹紧电磁阀Y001接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T0，延时1.7秒。 机械手夹紧工作后，T0动合触电接通，产生位移信号，使M103置“1”，“0”态移位置M102，上升电磁阀Y002接通，X001断开，执行上升动作。由于使用S指令。M200线圈具有自动保持功能，Y001保持接通，机械手继续夹紧工作。

当上升到位时，上限位开关X002接通，产生位移信号，“0”态移至M103，Y002线圈断开，不再上升，同时移位信号使M104置“1”，X004断开，右移阀继电器Y003接通，执行右移动作。

待移至右限开关动作位置，X003动合触电接通，产生位移信号，使M103的“0”态移位到M104，Y003线圈断开，停止右移，同时M104“1”态已移到M105，Y000线圈再次接通，执行下降动作。

当下降到使X001动合触电接通位置，产生位移信号，“0”态移至M105，“1”态移至M106，Y000线圈断开，停止下降，R指令使M200复位， Y001线圈断开，机械手松开工件；同时T1启动，延时1.5秒，T1动合触电接通，产生移位信号，使M106变为“0”态，M107为“1”态，Y002线圈再度接通，X001断开，机械手又上升，行至上限位置，X002触电接通，M107变为“0”态，Y002线圈断开，停止上升，Y004线圈接通，X003断开，左移。 到达左限位开关位置，Y004触电接通，移位寄存器全部复位，Y004线圈断开，机械手回到原位，由于X002、X004均接通，M100又被置“1”，完成一个工作周期。 再次按下启动按钮，将重复上述动作。 五 机械手的控制要求

为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。

手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。

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单步操作

单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止重新起动时，需要手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始单周期操作如图3-7：

图3-7机械手动作过程

第四章 安装与调试

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