導語：如何才能寫好一篇機械手臂設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

由度機械手臂實驗裝置，VC++上位機界面通過串口控制機械手臂的運行，借此六自由度機械手實驗裝置可以在實驗室內測試各種控制算法和控制理論，為機械手控制研究提供極大的便利。

關鍵詞：機械手 模塊設計 控制系統(tǒng)

機械手主要應用于勞動密集型的加工行業(yè)，代替人類完成單調重復的勞動，提高生產效率和產品合格率。機械手的應用擴大了人的手足和大腦功能，使人類避免從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作[1]。目前已廣泛應用于汽車制造、家具制造、服裝加工等領域。

1 機械手機構設計

1.1 底座結構設計 底座是用于安裝手臂、動力源、控制器和驅動機構的支架。本機械手底座支架裝有一個減速電機和一個智能控制器，如圖1所示：

1.2 手臂結構設計 手臂是連接底座和手部的中間部分，有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分，目前采用的手臂大多為無關節(jié)臂[2]，本文采用有關節(jié)臂。

手臂的作用是引導手部準確的抓住物體，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠準確的工作手臂的三個自由度都要準確的定位。本機械手手臂結構采用三個SR-403P舵機及其相關卡口工件組成，三個自由度可使機械手手臂結構更加自由靈活地運動，手臂結構如圖2所示：

1.3 手部結構設計 手部安裝在手臂的前端。手部由兩個舵機控制，從而實現手腕的反轉和手指的關閉。

機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種[3]。手指的數量又可分為二指、三

指、四指等，其中以二指用的最多，設計時采用的二指結構，其中一指固定，另一指由舵機控制。手指可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤。機械手手部結構包含兩個自由度，一個自由度用于夾持物件，另一個自由度用于反轉手腕，兩個自由度均由HS-7955TG舵機實現，手部結構如圖3所示：

機械手裝配完成后的整體設計效果圖如圖4所示：

2 機械手臂驅動設計

常見的驅動機構主要液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅動應用的最多，而電動驅動應用的比較少。液壓驅動主要是通過缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。具有體積小、作用力大，動作平緩，調速方便等優(yōu)點，但需要配備油泵等動力設備，系統(tǒng)復雜，成本較高。氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。以空氣作為動力傳遞媒介，具有維護簡單、方便，運行清潔，但因空氣的可壓縮性比價高，一般難以線性控制。電氣驅動采用的不多，一般以電機作為動力源，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構，系統(tǒng)簡單，維護方便，但因電機功率原因，很難達到較高的功率輸出，不適合高負荷野外工作。

2.1 機械手驅動方式的選擇與設計 因為本文所設計的六自由度機械手為實驗室內部研究使用，故不需考慮能源供給和功率問題，反觀液壓驅動和氣壓驅動都需要龐大的配套系統(tǒng)來支撐驅動，所以本文采用電氣驅動方式。驅動元件主要包括減速電機和舵機。圖1中的減速電機采用OpenCS5A/8A智能驅動器進行控制，實現其速度控制和位置控制。OpenCS5A/8A是一款應用最新的DSP控制技術開發(fā)的集運動控制、驅動、PLC功能于一體的智能控制

與數字伺服驅動器，內嵌高級運動控制語言（TML），使其易于實現無刷直流，無刷交流（矢量控制）旋轉或直線，有刷伺服電機的單軸與多軸控制。機械手的其余關節(jié)使用舵機控制，舵機是一種位置伺服的驅動器，控制信號是PWM信號[4]，利用占空比的變化改變舵機的位置。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms-2.5ms范圍內，其實是利用調節(jié)固定周期內的占空比來控制角度的變化。具有控制簡單，安裝方便等優(yōu)點。

2.2 機械手控制系統(tǒng)通信設計 機械手的控制系統(tǒng)設計主要包括驅動機構（減速電機和舵機）的控制、上位機控制界面的設計以及上、下位機之間的串口通信等。機械手控制算法經上位機解算后將控制信息經串口發(fā)給下位機MCU，下位機根據位置信息分別控制各個減速電機，從而實現機械手的精確控制[5]。

3 基于VC++的控制界面設計

上位機控制界面主要包括五路舵機控制區(qū)、一路電機控制區(qū)、機械手運行示意圖等幾個部分，如圖5所示。

舵機控制采用滾動條的方式，并將每個舵機轉動的角度實時顯示在右側的編輯框內；電機控制采用速度控制，主要包括電機的正轉、反轉、停止等；機械手運行示意圖顯示機械手的運動情況，當某個舵機或電機運行時，示意圖上相對應的舵機或電機位置將會加亮，表示這一舵機或電機正在運行[6]。

4 結論

論文主要提供了一種機械手的設計思路，進行硬件制作和控制系統(tǒng)的設計，最終實現機械手的實時控制。解決了減速電機控制、多路舵機控制和上、下位機之間串口通信等難點問題，為實驗室機械手位置控制算法的研究提供了實驗研究基礎，為實驗室研究機械手更加精確而又復雜的控制算法提供了實驗平臺。

參考文獻：

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[2]關明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2012，34（14）：120-121，142.

[3]張普行，嚴軍輝，賈秋玲.六自由度機械手的運動學分析[J].制造業(yè)自動化，2011，33（20）：68-71.

[4]付麗，劉衛(wèi)國，伊強.單片機控制的多路舵機用PWM波產生方法[J].驅動控制，2006，29.

篇2

喬布斯的妻子這樣評價他的搭檔艾弗：在史蒂夫的生活中大多數人都是可以被替代的，唯獨喬尼不是。喬布斯和喬尼?艾弗是一對絕對耀眼的設計搭檔，他們分工明確，配合默契，共同創(chuàng)造了偉大的蘋果時代：艾弗喜歡分析某個特定設計背后的理念以及如何一步步地構思出這個設計。而喬布斯則更注重直覺的判斷。他會明確指出自己喜歡的模型和草圖，放棄那些不喜歡的。艾弗則通過喬布斯的判斷進一步完善設計理念。

喬布斯與艾弗的結合不僅建立在公司的利益上，更建立在高度契合的個人追求上。事實上，早在喬布斯之前，艾弗就已經是蘋果的高管，但他對設計的追求與當時公司利益最大化的需求格格不入，因而萌生退意，是喬布斯的演講留住了他?！拔矣浀梅浅Ｇ宄?，史蒂夫宣布我們的目標不僅僅是賺錢，而是制造出偉大的產品，基于這一理念所作出的決策會與從前有本質的不同”，艾弗說?；诖耍麄兂蔀榱四莻€時代最為著名的工業(yè)設計搭檔，同時也成為了彼此不可或缺的靈魂伴侶。

而在室內設計圈，亦有這樣志同道合的搭檔們，他們基于共同的設計理想與價值觀，比肩同行，左手播種，右手耕耘，在設計路上種下一朵朵絢爛的設計之花。本期話題，我們邀請了肖澤?。軓埓荆ㄅ笥眩?、于園＼李光政（朋友）、張靜＼廖志強（夫妻）三對設計組合從搭檔的選擇、配合方式以及事業(yè)運營上為我們解密攜手設計路上的點點滴滴。

張淳、肖澤健

“搭檔”這種方式帶給設計的，無疑是更完善的思想角度，更成熟的手法引用，更有效率的實際操作。

意趣相投設計征途結伴行現代裝飾雜志社：能為我們介紹一下您的搭檔嗎？在私下里，您和您的搭檔是什么關系？可否請您詳談一下你們選擇彼此作為自己搭檔的理由？你們的合作是基于怎樣的因緣際會？

肖澤?。何液臀业拇顧n張淳最先是在網上認識的，后來又在同一個公司上班，彼此覺得“臭味相投”，所以在搭檔之前，關系就很好。在性格上，我喜動，她喜靜，我大而化之，她細心謹慎，我外向，她內斂?？梢哉f是赤道與北極。但正因為這樣的不同，在思想交流上才更能擦出不同的火花，這也是我們后來能夠搭檔合拍的基礎。對我來說，她是搭檔，是朋友，也是親人。

張淳：對，我們是好知己好伙伴好姐弟，是沒有血緣關系的親人。剛開始獨立的時候，覺得一個人做設計太孤單，所以硬扯著他跟我一起做，這是源于私交。但后來在工作上慢慢磨合，彼此的行事風格逐漸滲透融合，就成了真正意義上的工作搭檔。

肖澤健：其實由于個體差異，好朋友未必是好搭檔，好搭檔也未必是好朋友，很慶幸，我們既是好朋友，又是好搭檔。

張靜：我跟廖志強私下里是夫妻。

廖志強：不私下里也是。（笑）

張靜：其實我們并不是一開始就選擇彼此作為設計方面的搭檔，而是先成為戀人。

廖志強：這是成為夫妻的必經途徑，當然，也是我們成為搭檔不可或缺的理由。

張靜：確實。也正是因為最初對彼此的欣賞和各方面的合拍，才能有事業(yè)上的完美搭檔：我是個非常感性的人，做事缺乏計劃、異想天開、感情用事，但他跟我恰恰相反――思路清晰，有條理。這點上，他的優(yōu)勢正好彌補我的不足。除開性格互補外，最重要的是我們價值觀一致，認為金錢并不是最重要的，它只是生活的輔助手段。而且都喜歡看書，喜歡關注與設計有關的一切。

廖志強：其實張靜所說的她的缺點也正是她的優(yōu)勢，感性的人對藝術有著更敏銳的感知力。

于園：我的搭檔李光政是從業(yè)十多年的資深設計師，也是我多年的同事。我們在之前共事的幾年相互非常了解，追求點也很默契，這些促成了我們后來獨立創(chuàng)業(yè)的合作。我們都希望開心生活開心工作，能做出點與眾不同的東西。李光政：做出不同是很多設計師孜孜以求的夢想，也許終其一生都不能做到真正的“不同”，但我相信，真誠的付出加無止盡的探索，我們終會有所得。設計，但求無愧于心。

于園、李光政

現代裝飾雜志社：您認為您的搭檔是一個怎樣的人？他的性格與處事風格與您類似還是互補？

于園：我和李工的性格是互補的，我比較喜歡全局性地看問題，但在細節(jié)上著眼不多，他則嚴謹細致，對細節(jié)把控游刃有余。拿讀書作比的話，我是逍遙派，“好讀書不求甚解”，他是苦吟派，“吟安一個字，捻斷數根須”。李光政：夸張了，其實于園也很注重細節(jié)，只不過我們注重的細節(jié)點不同，比如在設計方案上，把控細節(jié)的是我，但是在公司運營與方案的執(zhí)行上，把控細節(jié)卻是她。

肖澤健：我的搭檔是個很悶的人，這樣說會不會挨打？（笑）她不太喜歡出去玩，是與世無爭的資深宅女一枚。我懷疑她是外星人，由于太不合群了被她的種族發(fā)配到地球了。不過“宅”也是她的優(yōu)勢，長期的“宅”使她十分冷靜淡定，淡定到哪怕房子被點了，只要沒燒到硬盤資料，她依然能夠泰然自若。當然，燒到硬盤資料就另當別論，她是工作狂，設計控，燒到硬盤就是踩到尾巴了。

張淳：小肖是個天馬行空的“瘋子”，甚至有點不著邊際，他喜歡思考，善于逆向思維。而我則更多地善于靜處與總結，我們性格中不同的部分，剛好在工作中互補。

肖澤?。何覀冊诒舜搜壑卸际恰隘傋印?，我是“肖瘋”，她是“張三瘋”。

李光政：設計人就應當如此，不瘋魔不成活。張靜：廖志強是個巨蟹男，這個星座的性格特點在他身上體現得特別明顯：熱愛事業(yè)、重情愛家這些。在處事上我們還是比較類似的，之前也說過我們的價值觀相同，對設計同樣地熱愛。當然也有不同的地方，就是對待同一種事物，有理性判斷和感性感悟之分。這種差異在工作上體現出了極大的益處。

廖志強：感性的女人是天生的藝術家，這是我對我“搭檔+愛人”的評價

分工明確你“耕田”來我“織布”

現代裝飾雜志社：在設計過程中，您和您的搭檔是怎樣的配合方式？在藝術創(chuàng)作中有一個很玄妙的東西叫做靈感，您的搭檔會經常帶給你靈感的啟發(fā)嗎，可否談一談你們在工作過程中的趣事？

廖志強：在設計過程中，她負責后期配飾，我負責前期硬裝設計，更準確說法應該是：她負責如何好看，我負責如何好用。關于靈感，其實有好的東西我們都會在第一時間共同分享的，比如我看到一些她喜歡的書或者網站，會以最快的速度發(fā)給她。同樣地，她也是我的靈感女神。

張靜：他更適合做前期的準備工作，比如硬裝設計，空間改造等。而我主要是空間風格整體基調的把控，以女性的直覺去判斷客戶的喜好。現在我們每做一個設計，都是整個團隊一起全程參與，人多了，靈感也便多了，總會有最好的。

張淳：愛情也是你們之間的必備靈感。（大家笑）

肖澤?。涸谠O計過程中，我們會先各自擺出自己的想法，然后再探討：她對尺寸非常地敏感，空間感很強。而我對顏色風格比較敏感。經常是我做出一套設計的風格基調，由她來放到一個合適的尺寸空間里面。

張淳：我們經常會為案子爭吵，但隨著相處時間的變長，慢慢就知道了彼此的特長與缺點，再出現類似的分歧，就會明白，誰的想法更適合，或者怎樣結合更好。靈感，是從爭議到雜糅，由互補而升華。

肖澤健：曾經有一次，我們兩個為了一個方案爭持不下，吵了半天后請來了客戶做選擇，在客戶面前依舊據理力爭各不相讓，這也算是認真的執(zhí)著吧。

于園：其實好的設計都是碰撞出來的。每個案子我們都會拿出來共同討論，各自闡述自己的想法，每個案子都是這樣定稿的。在整體方案過程中也會經常溝通，力求呈現出更好的效果。到現在，不討論的話反倒覺得不踏實了。

李光政：這和你們寫文章是一樣的，自己的文章太熟悉了就看不到缺點，如果拿給別人看，反倒會得到更好的修改意見。我們做設計也是如此一一這也是搭檔的好處，會比自做自改多一重把關。

現代裝飾雜志社：在公司或者個人品牌的運營上，您和您的搭檔哪位起主導作用？您二位分別在其中扮演怎樣的角色？

肖澤?。涸诠具\營上，我是軍師，她是主公。我會出很多點子，然后共同探討。一般情況下，想出十個，她能采納兩個就算沒做無用功。對于我來說，點子想多了，反倒像一堆漿糊一樣模糊不清，而她卻能在這團漿糊里找到所需要的東西，非常厲害。這也是理科生的優(yōu)勢，邏輯思維很強。

張淳：他有很多想法，我負責篩選和定奪。而在后期的執(zhí)行上，主要靠他?？偟膩碚f，他主外，我主內。

于園：公司運營上，李工負責更多：他主管公司運行的整體規(guī)劃，我則負責具體落實。他繪制藍圖，我添磚加瓦。張靜：我們在品牌運營上主打之境設計的公司品牌，運營與規(guī)劃是以廖志強為主導的，但在我們的設計圈子里我倆似乎都是以模范夫妻的形式出現。

廖志強：她剛才也說過我是理性的人，我想這樣個性更適合做事業(yè)推手。其實作為工作搭檔，最主要的是要做到量才而用，各司其職，找到合適自己的位置最重要。

現代裝飾雜志社：在設計過程中，您和您的搭檔是否有意見相左的時候，遇到這種情況時，你們一般會怎樣處理？

肖澤健：處理意見相左最適用的真理：。

張淳：重要的是結果，就算是爭吵，也要做出最合適的設計。

張靜：肯定會有意見相左的時候，但是因為彼此都是能聽得進意見的，所以只要誰的理由足夠充分自然就聽誰的，如果當時實在爭執(zhí)不出結果，彼此就會選擇先停下來冷靜一段時間再綜合意見。

廖志強：在大是大非上我們還是“公私分明”的。

于園：每個人都有自己所堅持的東西，這些堅持里一定有一部分是有價值的。所以聆聽不同的意見非常有趣。我們其實很享受意見相左時的針鋒相對、唇槍舌戰(zhàn)。李光政：沒有矛盾就沒有這個世界。任何事物有了對立面才有了存在的價值和理由。我們能夠成為搭檔，不也是因為“不打不相識”嗎？

順勢而行將求麟鳳向天涯

現代裝飾雜志社：未來您和你的搭檔會一直以“設計組合”的方式出現在世人面前嗎？您覺得“搭檔”在設計行業(yè)中是否是一種值得推廣的方式？它能帶給設計哪些好處，同時又有哪些弊端？

張靜：是否會一直以“設計組合”的方式出現，這個還是順其自然，就像我們開始從彼此獨立設計到互相參與，直到有一次偶然發(fā)現對方所擅長的正是自己的弱項之后，就慢慢開始嘗試一起做每一套設計，時間久了，分工就越是明確，搭配也越是默契。我們選擇“搭檔”這種形式，并非是因為推廣，而是為了取長補短，爭取把我們的設計完善得更好。

廖志強：順其自然最好，成為工作搭檔并不是刻意為之，同樣地，將來由于事業(yè)的發(fā)展需要我們重新定位，也未必不能再次獨立工作。

李光政：俗話說，有人的地方才有江湖，沒有風起云涌，就不能稱之為江湖。搭檔合作，沒有爭議，那就等同于同自己合作，毫無效果。同我的搭檔合作，我覺得至少我們是不同的，這很具有挑戰(zhàn)性。

于園：個人覺得，團隊合作，相對來說更為輕松，是否適合在于個人，找到合適的人，事半功倍。一個人的設計，總有瓶頸期，好的伙伴會陪我們共同走過這段難捱的時光。弊端是每個人都有堅持的東西，所以需要花費很多時間去磨合溝通，以達到最好的效果。

張靜、廖志強

順其自然最好，成為工作搭檔并不是刻意為之，同樣地，將來出于事業(yè)的發(fā)展需要我們重新定位，也未必不能再次獨立工作。

肖澤?。何矣X得作為設計組合，關鍵還是要看人――與什么樣的人合作很重要。我個人認為，搭檔，就應該是兩個性格完全不同的人來做，這樣才能取長補短，才長久。目前，我跟張淳的合作很愉快，我們兩個以及我們團隊的相處也很融洽，我希望在未來可以一直持續(xù)下去，大家共同在設計上做出點成績來。再者，一個品牌想運營好，光靠一個人的能力是不夠的，我很喜歡這種大家一起齊心協(xié)力精誠合作的感覺。每個人發(fā)揮所長，每天都在頭腦風暴中享受工作，想想就令人激動。

張淳：我和小肖之間的搭檔關系會一直存在，只是，這種組合的內涵不僅僅局限于設計，它會更多地體現在公司的發(fā)展上，以及人生的伴隨上。我個人覺得，“搭檔”這種形式是值得推廣的，只是，形式可以因各自團隊而不同：它可以將不同人的優(yōu)點集結在一起，規(guī)避缺點。這樣的方式帶給設計的，無疑是更完善的思想角度，更成熟的手法引用，更有效率的實際操作。

弊端的話，我想就是，設計品牌并不是一兩個人的事情，它是整個團隊努力的結果，如果過分強調搭檔效益，就會弱化團隊性，如果處理不好，有可能會妨礙團隊的凝聚力。這點，我覺得要注意下，個人品牌一定要兼顧團隊效益。

現代裝飾雜志社：“中國夢”是近兩年非常熱門的一個話題，事實上，“中國夢”是由各行各業(yè)的夢想共同組成，能否談一談你們的“設計夢”？

張靜：“設計夢”這個提法太大了，如果真的要說的話，我們所有的其實是對未來的期許：希望我們和我們帶領的團隊能夠更好地利用自己掌握的設計知識，來幫助我們的客戶實現更好的居家環(huán)境。

廖志強：腳踏實地，每前進一步，就向理想狀態(tài)靠近一步。

肖澤健：希望我們的每一套作品都有新的突破、新的嘗試、新的亮點，但這些都是要圍繞著客戶的需求而定，做到這點需要許多琢磨。

張淳：其實就是在藝術與需求之間尋求平衡，做既能取悅客戶也能取悅自己，更能取悅環(huán)境的作品。

篇3

一、引言

氣動機械手臂是氣動技術在機械加工領域運用最多的一種技術，其具有質量好，重量輕，操作簡單，性能穩(wěn)定以及環(huán)保節(jié)能燈特點。氣動機械手臂主要采用模塊化的設計模式，尤其是使用當前傳輸技術的氣動機械手臂，使用可多次編程的閥島技術進行控制，同時，其氣動伺服系統(tǒng)，也全部采用模塊化的設計進行組裝，便于進行精確定位 [1]。

本文的核心內容是研發(fā)構建一種定位精確、適用性廣的氣動機械手臂，對研發(fā)過程中具體涉及的機械原理和系統(tǒng)配置進行了研究，設計了基于三菱的FX2N可編程控制器的控制系統(tǒng)的硬件和軟件。

二、氣動機械手臂總體結構設計方案

氣動機械手臂有多種類型，根據具體運動模式，可以區(qū)分為圓柱坐標、球式坐標、直角坐標和關節(jié)式四種機械類型[2]。機械手臂的運行組件由主體和輔助部件組成。用來改變抓取對象的空間位置的組件稱為主運動部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而單純改變抓取對象方位和狀態(tài)、不涉及空間位置改變的組件就是輔助運動部件，主要有手腕和手指部位。

氣動機械手臂的工作為兩個位置點之間的材料移動工作，因此機械手臂要具有基本的升降、回轉和伸縮能力，因此，這里采取圓柱坐標式構造模式，此處機械手臂保留三個自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降兩參數）、回轉自由度（用θ表示，有正轉反轉兩個參數）和伸縮自由度（用r表示，分為伸展和收回兩個動作）。該機械手臂的運動模式如圖1所示。

圖1 機 械 手 臂 運 動 簡 圖

三、控制系統(tǒng)的功能及結構分析

控制系統(tǒng)的設計首要問題是如何選擇一臺理想的PLC（主要是規(guī)格和型號），其次是PLC的I/O（輸入/輸出）點和設備的配置。然后是程序流程設計與程序編制[3]。

1、直線控制單元的控制

如圖2所示為氣缸的位置控制器及其構成圖。圖中氣管線路用虛線代表，電線或電纜用實線表示?？刂破鞯男盘杹碜訮LC，PLC是這部分的核心，通過磁傳感器識別氣缸到達的位置，達到實時精準地控制氣缸。

2、 PLC控制硬件

要實現系統(tǒng)的主要功能，就必須對此氣動機械手的每一個動作都要求要有一個手控的按鍵。為保證機械手執(zhí)行工作的準確性，就要求在程序設計時要考慮到相互牽連的功能。在現實情況中，控制機械手的啟動按鍵和停止按鍵必須要在一起的，這主要在于設置控制機械手的啟停時考慮到節(jié)省PLC的輸入輸出點數這個因素。系統(tǒng)在運轉時，要保證機械手的工作在一個正常的循環(huán)周期內。在設計時考慮到在機械手在進行每一個周期的工作時，機械手的設定值按系統(tǒng)主體需要設定，比如正轉、反轉、上升、下降、伸出、縮回、加緊、放松。每次開始前，需重新設定，使機械手回到原來的位置，進行工作，也就是所謂的“回原點”。對于回原點，包括自動式和手動式。根據系統(tǒng)需要選擇PLC的型號，并對PLC端的輸入輸出點進行I/O分配，相關的分配表如表1所示。

圖2 直線控制單元構成圖

3、PLC控制軟件

在連續(xù)模式下，機械手的運行是按照操控主體的初始設定進行的，要保證整個連續(xù)模式下的系統(tǒng)的高效運行[4]，就要求在操作之前檢驗整個系統(tǒng)的操作是否處在真正的設定值上。整個操作可利用各個具體的操作按鍵操控氣缸的運行，在到達相對應的初始位置時再對氣缸的運動進行減壓、停止，這就保證了整個系統(tǒng)合理有效的會到初始值的原點。對于正處于連續(xù)模式的機械手來說，當系統(tǒng)被手動操控回到原始位置時，整個系統(tǒng)會自覺的進入到下一個正常的循環(huán)中。圖3所示為循環(huán)動作梯形圖。

圖3 循環(huán)動作程序段

四、結論

對氣動機械手的構造進行模塊化整理，對氣動機械手的整體進行相關的分析和設計，對其氣動位置控制系統(tǒng)進行了深入研究，對氣動機械手的控制系統(tǒng)的硬件、軟件進行了設計。經過調試運行，達到了預定效果。實踐證明，所開發(fā)的以PLC為核心的氣動機械手控制系統(tǒng)，運行可靠性高，操作簡單方便，環(huán)境適應性強。

參考文獻

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[2]陸鑫盛.氣動新技術講座――模塊式氣動機械手[J].液壓氣動與密封.2001（6）： 31～43.

[3]勞俊，伍世虔，楊叔子.模塊化與現代制造技術[J]..制造技術與機床.2004（9）： 40～42 .

篇4

關鍵詞：機械手；PLC；液壓伺服定位；電液系統(tǒng)

目 錄

第1章 前言............................................................. 1

1.1　選題背景. 1

1.2　設計目的. 1

1.3　發(fā)展現狀和趨勢. 1

第2章 機械手各部件的設計. 3

2.1機械手的總體設計. 3

2.1.1　機械手總體結構的類型. 3

2.1.2　具體設計方案. 4

2.2機械手手爪結構的設計. 4

2.2.1　設計要求. 4

2.2.2　驅動方式. 5

2.2.3　典型結構. 5

2.2.4　具體設計方案. 6

2.3機械手手腕結構的設計. 7

2.3.1　手腕結構的設計要求. 7

2.3.2　具體設計方案. 7

2.4機械手手臂構的設計. 8

2.4.1　手臂結構的設計要求. 8

2.4.2　具體設計方案. 8

2.5機械手腰座結構的設計. 9

2.5.1　腰座結構的設計要求. 9

2.5.2　具體設計方案. 9

2.6機械手的機械傳動機構的設計. 10

2.6.1　傳動機構設計應注意的問題. 10

2.6.2　常用的傳動機構形式. 10

2.6.3　具體設計方案. 11

2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計. 12

2.7.1　常用驅動系統(tǒng)及其特點. 12

2.7.2　具體設計方案. 12

2.8機械手手臂的平衡機構設計. 12

2.8.1　平衡機構的形式. 12

2.8.2　具體設計方案. 13

第3章 理論分析和設計計算. 14

3.1電機選型有關參數計算. 14

3.1.1　有關參數的計算. 14

3.1.2　電機型號的選擇. 16

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算. 18

3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案. 18

3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路. 19

3.2.3　液壓源系統(tǒng)的設計. 19

3.2.4　繪制液壓系統(tǒng)圖. 20

3.2.5　確定液壓系統(tǒng)的主要參數. 21

3.2.6　計算和選擇液壓元件. 26

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計. 28

4.1系統(tǒng)硬件設計. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工藝過程與控制要求. 28

4.1.3 作業(yè)流程. 29

4.1.4 控制器的選型. 30

4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接線設計. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系統(tǒng)軟件設計. 33

4.2.1　控制主程序流程圖. 33

4.2.2　控制程序設計. 34

結論. 51

致謝................................................................52

參考文獻.......................................................... 53

第一章 前言

1.1選題背景

由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。

1.2設計目的

目前，我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現代機械行業(yè)自動化生產的要求，針對具體生產工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。

1.3發(fā)展現狀和趨勢

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：

一．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。

二．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

三．機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

四．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；

五．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。

總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。

第二章機械手各部件的設計

2.1機械手的總體設計

2.1.1機械手總體結構的類型

工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：

1.直角坐標機械手結構特點

直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。

2.圓柱坐標機械手結構特點

圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。

3.球坐標機械手結構特點

球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。

4.關節(jié)型機械手結構特點

關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。

2.1.2具體采用方案

如圖2-2所示機械手模擬工作布局圖，根據實際操作的需要，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉運動，因此其自由度數目為3，綜合考慮，應選擇圓柱坐標機械手結構，其結構簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設計要求。

2.2機械手手爪結構設計

2.2.1設計要求

手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。

機械手手爪設計有如下要求：

1、機械手手爪是根據機械手作業(yè)要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。

2、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設計的經濟效益。

3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現標準化。

4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。

2.2.2驅動方式

一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。

機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種：

1.氣動驅動方式

這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。

2.電動驅動方式

電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。

3.液壓驅動方式

液壓驅動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大，可實現連續(xù)位置控制。

2.2.3典型結構

機械手手爪的典型結構有以下五種：

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。

2.滑槽式手爪

當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。

3.連桿杠桿式手爪

在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。

4.齒輪齒條式手爪

通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。

5.平行杠桿式手爪

采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具體設計方案

結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-3所示：

2.3機械手手腕結構的設計

機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。

2.3.1 手腕結構的設計要求

1、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。

2、根據作業(yè)需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業(yè)要求來確定。

3、為實現腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。

4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。

5、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。

2.3.2具體設計方案

通過對數控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯結梁）結構見圖2-4。

2.4機械手手臂結構的設計

2.4.1手臂結構的設計要求

機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求：

1、工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。

2、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。

3、應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。

4、機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。

5、為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡。

2.4.2具體設計方案

由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達30KG），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式。通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實現，其關鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設計。因此手臂液壓缸的設計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。

2.5機械手腰座結構的設計

2.5.1腰座結構的設計要求

機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節(jié)，承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求：

1、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。

2、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。

3、腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。

4、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.5.2具體設計方案

腰座回轉的驅動形式主要有兩種，一是電機通過減速機構來實現，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現?？紤]到腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。因為電動方式控制的精度高，結構緊湊，不用額外設計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機都不能直接驅動，并考慮到轉速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結構如圖2-5所示：

2.6機械手的機械傳動機構設計

2.6.1傳動機構設計應注意的問題

由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，在設計機械手的傳動機構時要注意以下問題：

1、機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。

2、盡量減少系統(tǒng)運動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現象，增加系統(tǒng)壽命。

3、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。

4、選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。

5、適當的阻尼比。阻尼比越大，零件產生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應采取合適的阻尼比。

2.6.2常用的傳動機構形式

常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。

1.螺旋傳動

它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂等；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。

2.齒輪傳動

在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。

齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅動功率時，其加速度響應最大，還要求其轉動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。

3.鏈傳動

在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。

4.同步帶傳動

同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。

2.6.3具體設計方案

因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關節(jié)結構，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構，既簡化了結構，又提高了精度。而其腰座的回轉采用步進電動機驅動，而電動機不能作為直接驅動元件，因此為取得較大的轉矩，經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機轉速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機械手驅動系統(tǒng)設計

2.7.1常用驅動系統(tǒng)及其特點

工業(yè)常用驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。

1.液壓驅動系統(tǒng)

具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。

2.氣動驅動系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中。

3.電動驅動系統(tǒng)

具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，但大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。

2.7.2具體設計方案

在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅動。隨著機床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。

2.8 機械手手臂的平衡機構設計

直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。

2.8.1平衡機構的形式

1.配重平衡機構

這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。

2.彈簧平衡機構

彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。

3.活塞推桿平衡機構

活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。

2.8.2具體設計方案

因為本機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足，則設置彈簧平衡機構進行平衡。

第3章 理論分析和設計計算

3.1電機選型有關參數計算

3.1.1有關參數的計算

1.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有

具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。

因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有；

3.1.2電機型號的選擇

根據以上計算結果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好，各項參數如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數。如圖3-3所示

驅動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經過減速后傳遞到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當高，完全滿足機械手的定位精度要求。

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算

3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案

液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，液壓缸實現直線運動，液壓馬達實現回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：

因為機械手設計為圓柱坐標形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現直線往復運動。

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路

液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是液壓回路的核心問題。

速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現。

本設計的速度的控制主要采用節(jié)流調速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現，而方向控制采用電磁換向閥來實現。

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設計

液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。

油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。

本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖

本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示（詳見圖紙第四頁），

它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。

其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。

考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現手爪迅速松開。

另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。

3.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數

液壓系統(tǒng)的主要參數是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。

1.計算液壓缸的總機械載荷

3.液壓缸主要參數的確定

考慮到機械手的特點，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現。經過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數如下；

因為伸縮缸的作用主要是實現直線運動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度有較高的要求。

因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。

因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。

4.液壓缸強度的較核

（1）活塞桿直徑的較核

3.2.6計算和選擇液壓元件

1. 控制元件的選擇

根據系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產品樣本中選取各控制元件。

2. 液壓泵的計算

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計

4.1硬件設計

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如圖4-2所示：

機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。

1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇正轉/逆轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。

2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。

4.1.2工藝過程與控制要求

機械手的動作有腰座的旋轉，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。

其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。

實現執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。

當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

4.1.3作業(yè)流程

機械手工作流程如圖4-1所示：

從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。

當數控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅動機械手順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原； 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結束； 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。

機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。

4.1.4控制器的選型

機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4－3所示：

該PLC集成14，輸入/10，輸出共24個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。

4.1.5控制系統(tǒng)原理分析

由于機械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。

為了減少PLC的I/O點數，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示：

這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接線設計

為實現水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，因此增加一個模擬量輸出模塊EM232。鑒于伺服放大器和位移傳感器對輸入的要求，PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示。

PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細的硬件設計見圖紙）

4.1.7 I/O地址分配

詳細參見表4-1、4-2：

4.2軟件設計

4.2.1控制主程序流程圖

機械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：

結 論

本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現了理論和實踐的有機結合。

機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制。系統(tǒng)結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

綜上，經過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設計實現了預期目標。

致 謝

經過一段時間的努力，本次畢業(yè)設計終于完成。在這段時間里，我運用大學所學知識，通過對本設計的論證、計算以及圖紙的繪制，對大學所學知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。

此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師和同學的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設計過程中，尤其要感謝我的指導老師，他給我很多專業(yè)方面的幫助，讓我少走很多彎路。還有在大學里所有的任課老師和圖書館的管理老師，也謝謝你們，是你們給我知識，謝謝！

此外，由于個人知識能力水平有限，論文中難免有紕漏錯誤指出，懇請各位老師批評指正，謝謝！

參考文獻

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4．胡學林. 可編程控制器(基礎篇). 北京: 電子工業(yè)出版社， 2003.

5．胡學林. 可編程控制器(實訓篇). 北京: 電子工業(yè)出版社， 2004.

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篇5

關鍵詞：軸承變形量 SCARA型機器人 手臂柔順度

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0215-01

隨著科技進步和社會發(fā)展，搬運的負載越來越大，只有設計出更大負載能力的機械手，才能在國際高端市場占有一定立足之地。

許多單位和學者對機械手手臂柔順度展開了研究。常治斌在長臂機械手手臂結構設計中，除考慮強度問題外，還要考慮剛度問題，即機械手在抓起工件后，手臂受力會產生變形[1]。要使機械手滿足位置精度要求，必須控制機械手手臂在受力后的變形值，使它在允許范圍內。采用梁單元的有限元法，著重介紹了截面尺寸不同的長臂機構手手臂的靜、動態(tài)特性分析程序設計及計算實例。林異捷等人對全液壓鉛殘極板移載機械手提升手臂裝置進行運動學分析[2]。通過對移載機械手提升機構進行建模并實現簡化，采用正向運動學和逆向運動學的分析方法，建立起支撐桿的位移、速度、加速度與對應液壓缸的位移、速度、加速度之間的關系。通過仿真軟件對所得的運動學方程進行了驗證，提高最終結果的準確性。利用所得到的研究結果，可以為移載機械手的動力學分析、運動軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)的設計提供重要依據。楊振針對手臂模型未知和動態(tài)環(huán)境下的仿人機器人手臂柔順性控制算法[3]，根據不同任務研究了在線控制仿人機器人手臂的柔性。通過仿真研究表明，合理的調整阻抗參數在實際力控制過程中至關重要，它可以有效地減少機械手與環(huán)境接觸時的沖擊力。同時對基于神經網絡逆系統(tǒng)的阻抗控制算法作了仿真研究，仿真結果表明該算法的效果較理想。本文計算由球軸承引起的手臂下垂量使用的是赫茲接觸理論。赫茲理論做了以下的假設[4]。對于滾動軸承內部的接觸問題來說，這些假設基本上是成立的。

材料是均勻的；

接觸區(qū)的尺寸遠遠小于物體的尺寸；

作用力與接觸面垂直（即接觸區(qū)內不存在摩擦）；

變形在彈性極限內進行。

使用赫茲接觸理論可以計算出接觸面的尺寸和應力。當鋼與鋼接觸時最大赫茲接觸應力可簡化為平均赫茲接觸應力

其中Q是接觸載荷。

本研究使用的軟件是SolidWorks Simulation[5]。SolidWorks Simulation 是一個與 SolidWorks完全集成的設計分析系統(tǒng)。所涉及的具體內容有：線性靜態(tài)分析、頻率分析、動態(tài)分析、線性化扭曲分析、熱分析、非線性分析、跌落測試分析、疲勞分析、壓力容器設計和橫梁和桁架。

該軟件采用了有限元方法（FEM）。FEM是一種用于分析工程設計的數字方法。FEM由于其通用性和適合使用計算機來實現，因此已被公認為標準的分析方法。

SolidWorks Simulation節(jié)省了搜索最佳設計所需的時間和精力，可大大縮短產品上市時間。通過減少產品開發(fā)周期數量來縮短產品上市時間。快速測試許多概念和情形，然后做出最終決定，這樣，就有更多的時間考慮新的設計，從而快速改進產品。

潔凈機器人手臂主要應用于半導體、硬盤、平面顯示器和太陽能產業(yè)中的晶片搬運，機器人手臂的剛度必須滿足不同工位、有無負載所引起的末端高度下垂量要求，即為柔順度定義。

機器人柔順度計算包括兩部分：第一部分是軸承變形量的計算；第二部分是對手臂進行有限元分析，得出末端下垂量。本文以SCARA型三關節(jié)機器人手臂作為計算對象，每個轉動關節(jié)選用兩個深溝球軸承作為選擇支撐。SCARA型機器人手臂受力分析如圖1所示[6]。

1 軸承變形引起的下垂量計算

首先，利用機器人手臂的三維模型，分別對三個關節(jié)進行質量和質心位置評估后可得到手臂各關節(jié)承受的力矩。然后，通過受力分析，計算出各個軸承所受到的載荷力。

計算輔助變量

其中：1-I，1-II與2-I，2-II，分別為包含兩接觸物體1和2的主曲率的平面，為曲率。

計算出后，查赫茲接觸系數表，可得出。

當鋼與鋼接觸時，彈性趨近量計算公式可簡化為：

其中：Q為軸承所受載荷力。

最后，將機器人手臂有負載和無負載時軸承引起的末端下垂量做差，可得到負載引起的末端下垂量為3.691 mm。

2 機器人手臂變形引起的下垂量計算

通過SolidWorks Simulation軟件對手臂有負載和無負載兩種情況進行有限元分析。將有負載和無負載的手臂最前端變形量做差，即為不考慮軸承變形作用下的手臂變形量。此時計算出的手臂變形量為3.324 mm。

3 結語

本計算方法以SCARA型機器人手臂為例，計算結果7.015 mm與實驗值6.795 mm誤差僅為3%。因此，這種計算方法可以滿足潔凈機械手產品柔順度的計算要求。

參考文獻

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[2] 林異捷，袁銳波，衡楊，等.移載機械手提升手臂裝置的運動學分析[J].機床與液壓，2012（19）.

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[4] 岡本純三.球軸承的設計計算[M].黃志強，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

篇6

關鍵詞：輪胎機械手 ADMAS 工作原理 動態(tài)仿真

隨著礦山設備的發(fā)展，礦用車輛輪胎機械手也不斷更新發(fā)展，逐漸向大型化，自動化方向發(fā)展，這給輪胎機械手的設計帶來了諸多的挑戰(zhàn)和難題。設計一種能夠代替人力，操作簡單，安全實用，適用于大型輪胎拆裝、搬運需求的設備成為當務之急。這有利于提高生產效率，降低勞動強度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機械手的破壞發(fā)生在連桿機構，這種破壞主要是連桿機構在動態(tài)載荷下發(fā)生的疲勞失效或者應力屈服破壞。為了解決輪胎機械手連桿機構的破壞難題，本文將對該連桿機構進行動態(tài)應力仿真，考場連桿機構在動態(tài)載荷的作用下連桿所發(fā)生的變化，并提出連桿機構的優(yōu)化設計方案。

1、輪胎機械手發(fā)展狀況

國外的輪胎機械手的發(fā)展已經十分成熟。第一臺輪胎機械手由美國佩蒂伯恩公司生產的Super 20型輪胎夾裝機，該機械手具備更換運輸卡車和重型設備輪胎的作用，還可以當做叉車使用；該設備顯著的特點是高效，大量減少勞動量。改型輪胎機械手主要由以下幾個部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅動裝置，四輪空氣制動裝置和一臺GM型柴油機組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時為4309kg，縮回時為6804kg，夾持裝置能夠向兩側轉動45°，叉架能夠左右移動127mm，以準確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩(wěn)的夾起輪胎，并將輪胎準確的定位在輪轂螺栓上。

同國外相比，國內輪胎機械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎拆裝設備的研發(fā)還很少。廣西柳工集團生產的ZL40B型裝載機，使用規(guī)格為20.5-25的輪胎，充氣后質量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機的工作機構可以完成動臂的提升和鏟斗的旋轉動作。拆下鏟斗，在動臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動力，可以實現張開和閉合動作。這樣，裝載機自身動臂的提升、鏟斗的旋轉外加夾持臂的開合動作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結構簡單、安全可靠等優(yōu)點。

2、ADMAS軟件的介紹

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS己經被全世界各行各業(yè)的數百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

3、輪胎機械手結構組成

輪胎機械手的主要功能是實現礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運。動力源為液壓缸，并要求液壓動力在適當的荷載下運作，才能使液壓工作件高效、平穩(wěn)、準確的完成液壓元件的各項操作動作；而且液壓動力源的各項操作可以通過電液伺服控制技術使提高該系統(tǒng)的自動化控制水平。輪胎機械手可以安裝在裝載機或叉車上，利用裝載機和叉車可以將物體舉高的現有動作實現垂直地面方向的移動，輪胎機械手自身可以完成對輪胎的夾持、水平移動和兩個方向的翻轉動作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運過程中所需的各種動作。輪胎機械手執(zhí)行機構大致由手盤、手臂、轉動架、平動架和固定板組成。

4、輪胎機械手工作原理

輪胎機械手的執(zhí)行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產生一定的夾緊力同時對兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內帶動負載以額定轉速旋轉，旋轉力矩和要求轉速由安裝在手臂的液壓馬達經過減速器產生，要求旋轉過程不能發(fā)生打滑現象；同樣轉動架以2r/min的轉速旋轉360°，且旋轉所需的力矩是由安裝在平動架上的液壓馬達提供；而平動架在水平左右移動所需的動力又安裝在平動架和固定板之間的平動液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動；最后，整個裝置由固定板安裝在裝載機或叉車上。

5、動態(tài)應力仿真

由研究表明，85%的輪胎機械手主要在連桿機構處發(fā)生破壞，而破壞的原因主要是因為動載荷受力不均勻，導致連桿機構疲勞失效和破壞。針對連桿機構的在動載荷下的破壞，探究桿件在受到動載荷時桿件的應力情況。動態(tài)應力仿真的步驟是：首先建立輪胎機械手的虛擬樣機模型；然后導入到動態(tài)分析軟件ADAMS中，對樣機模型進行約束、驅動使模型模擬整個機械手的運動；最后在ADAMS中記錄模型在受到動載荷下，模型的運動狀況以及桿件所產生的動態(tài)應力。

通過動態(tài)軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機械手的動作過程，通過修改參數可以看出該機械手的連桿機構在不同載荷下所受到的動應力，根據該動應力的情況設計合理的連桿機構，同時對改進輪胎機械手提供了依據。同時仿真模型和運動過程參數可以為整個機構的優(yōu)化提供理論依據，繼而為快速、準確方便的設計和制造物理樣機奠定基礎。

同國外相比，國內輪胎機械手發(fā)展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎機械手的研發(fā)還很少。主要原因是國內輪胎機械手的設計中，很少考慮連桿機構在動態(tài)載荷下的應力變化情況，在對輪胎機械手的改進和研究過程中我們要充分考慮動態(tài)載荷情況，根據動態(tài)載荷運用動態(tài)仿真軟件來模擬其實際情況，這樣能節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期。

參考文獻：

[1]馮亮,孔德文,孫建軍.輪胎機械手動態(tài)應力仿真研究[J].煤礦機械, 2011 ,07 .

篇7

關鍵詞：PLC；機械手；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1001-828X（2012）05-0-01

機械手是能夠進行自動定位控制并能對編程進行重新改變的一種多功能機器，機械手具有多個自由度，并且可以用來搬運工件，有效完成在不同環(huán)境當中的工作任務，很多生產線可以運用機械手來代替人的繁重體力勞動，實現工廠生產的自動化和機械化，并且在有害的環(huán)境下能夠有效保護人的生命安全，就當前的發(fā)展來看，機械手已經廣泛應用于原子能、輕工、電子、冶金、機械制造等各個部門，通常也會被用作一些機床機器的附加設備，其最為核心的部分就是控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，而且其執(zhí)行機構多是由電機、氣動以及液壓所構成的，具有應用廣泛、靈活性好、操作范圍大的特點。

一、機械手運用的現狀分析

機械手是當前自動控制領域中出現的一種較為新穎的技術，是現代工業(yè)生產中能夠用到的重要技術組成，并且已經在工業(yè)生產中得到了廣泛應用，取得了良好的效果，利用機械手技術進行工業(yè)生產，能夠大大減少工人的工作強度，并且通過對PLC技術的準確控制，也能大大提高工業(yè)生產的效率，對于改善工人的勞動條件產生積極的意義。就當前的應用情況來看，機械手主要采用的是氣動驅動或者是液壓的控制方式進行操作，這種方式具有很大的優(yōu)越性，不僅結構簡單，而且非常便于控制和掌握，在使用的過程中要注意對氣源以及壓力進行合理的配置。

二、機械手的結構系統(tǒng)分析

1.系統(tǒng)配置。在工業(yè)生產流水線傳送系統(tǒng)當中，機械手采用圓柱坐標的方式進行空間位移，能夠使機械手做好準確定位，機械手主要是由手爪、手臂、立柱和底盤構成，其工作流程主要是：將機械手固定在初始位置，底盤轉動到所要求的取貨臺位置上，降低立柱，伸出手臂，做好定位之后將物料抓取，然后升高立柱，回收手臂，避免在運行的過程中與設備發(fā)生碰撞，到達出貨臺，下降立柱，伸出手臂，打開手，然后再把物料放在相應的出貨臺上，復位機械手，再開始下一個流程。機械手的結構示意圖如下：

工業(yè)控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)應該包括觸摸屏、執(zhí)行元件、電機驅動器四個、脈沖輸出模塊四個、控制器五部分，其中控制器所采用的就是三菱系列的PLC，這樣就可以按照工業(yè)設計的要求來準確設計控制機械手，觸摸屏與PLC可以通過通訊口直接進行通訊，手動部件以及各種相關的設置操作都可以通過觸摸屏來進行控制，并且有利于實現實時監(jiān)控的意義。

2.硬件設計。通常比較常用的就是手動的工作方式，可以利用按鈕對機械手的動作進行簡單的控制，例如，在按“下降”按鈕時，機械手就會聽從命令下降，在按“上升”按鈕時，機械手就會出現上升操作，利用手動操作的方式可以使機械手處于原點的位置上，便于在維修時對其進行適當的調整。其自動工作方式也較為常用，例如，在按下啟動按鈕之后，機械手就會從原點開始連續(xù)反復的工序循環(huán)工作，如果不按下停止按鈕，機械手就會一直持續(xù)這樣的工作狀態(tài)，只有在按下停止按鈕之后，機械手才會停止這樣的工作狀態(tài)。機械手的操作狀態(tài)信息需要進行24個輸入端子的協(xié)助，其中位置檢測信號主要包括放松、夾緊、縮限、伸限、上限、下限等，工位位置檢測信號包括四個端子，光電開關檢測元件需要四個端子，在進行手動操作時，需要有六個端子，停止、自動、回原點、手動操作需要有四個端子，總共就需要有24個端子。

3.軟件設計。初始狀態(tài)實際上就是采用狀態(tài)初始化的指令對工作方式進行設置，當IST指令滿足相應的條件時，處于初始狀態(tài)的繼電器就會被指定一定的功能。機械手的控制程序較為復雜，一般就是運用模塊化的設計思想，把機械手控制程序分為：自動連續(xù)操作，手動單步操作，回原點操作幾個部分，其中手動運行程序就是指用初始狀態(tài)對繼電器進行SO控制，回原點程序、自動運行程序和手動程序均是采用STL觸點進行控制和驅動，這三部分的程序也不會被同時驅動。自動回原點的功能程序就是當原點在滿足條件時，M8044特殊的輔助繼電器為ON，再利用RST指令將最后一步S12進行復位。機械手控制系統(tǒng)的工作方式主要分為回原點、連續(xù)、單周期、單步以及手動五種形式，在電磁線圈斷電、機械手在最右邊或是在最上邊的時候，系統(tǒng)就處于原點的狀態(tài)，機械手PLC的梯形圖程序其總體結構可以分為連續(xù)工作、單周期工作以及單步工作幾種工作程序，它們的工作都是按照一樣的順序所進行的，將它們合在一起之后其編程會變得更加簡單。

三、結語

實踐證明，用可編程控制器所設計的機械手電氣控制系統(tǒng)不僅系統(tǒng)的可靠性較高，運行精確穩(wěn)定，具有很強的功能，并且線路簡單，具有很強的功能擴展性，利用脈沖輸出設備和PLC對機械手采取控制手段，可以更加準確和快速地對其控制要求做出相應的反應，進而實現對自由度步進電機進行合理的精確定位和控制，準確、快捷和方便地實現機械手位置的控制，對于有效完成物料的整個傳送任務能夠產生積極的影響。

參考文獻：

[1]范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動,2010(07).

[2]王月芹.基于PLC機械手控制系統(tǒng)設計與實現[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新,2011(03).

[3]郅富標,毋虎城,張四海.基于PLC的物料搬運機械手控制系統(tǒng)設計[J].中州煤炭,2011(05).

篇8

[關鍵詞]弧面分度凸輪機構；逆向設計；運動仿真

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）06-0156-02

前言：弧面分度凸輪機械手是一種基于弧面凸輪機械結構的間歇進行分度的裝置。能夠按照生產工藝的要求進行自動的進行傳送，裝卸，升降，提取，裝配，焊接，鉆孔，堆垛，檢測等任務。尤其是在高溫高壓粉塵噪音及帶有高輻射的環(huán)境中使用更佳。其主要特點是結構緊湊，工作效率高，壽命長，精度高，適用于汽車制造，包裝，電子，醫(yī)藥等行業(yè)，使用前景極佳。

1.弧面凸輪機械手的設計原理及方法

1.1 弧面凸輪機械手的運動形式

根據適用場所的不同，弧面凸輪機械手的運動方式也不同，一般情況下，弧面凸輪機械手要搬運物品，要求手臂要能夠進行提升和轉動的運動，所以弧面凸輪機械手的運動由這兩者復合形成，主要有從動件來實現。所有的運動類型都是由圍繞著固定軸的轉動和軸向垂直的方向運動復合而成的，在現實的工作生活中還要求弧面凸輪機械手能夠實現手臂的伸長與縮短[1]。

1.2 弧面凸輪機械手的結構

在初步設計結構類型的過程中，主要要考慮以下情況：

（1）能否完美的滿足原有既定的工作模式，如工作效率，運動形式等問題。當弧面凸輪機械手圍繞現代整體設計結構進行旋轉運動，系統(tǒng)運動結構將實現整體運動旋轉結構的運動結構逐步優(yōu)化，并建立起機械運動結構，不同的機械加工運作模式，實現現代加工技術逐步實現綜合技術的工作模式的工作循環(huán)，為了保障弧面凸輪機械手的運作效率，應當從保障弧面凸輪機械手的運動靈活性增強，機械運作的整體的結構可以控制在合理有用功大于無用功的均衡分配上，多元化的弧面凸輪機械手的機械運動效率推進現代機械運轉的效率，保障機械運作的整體機械加工運作速率。

（2）能否對工作條件有完美的滿足，如工作環(huán)境，工作內容，制度以及可靠性等。為了對弧面凸輪機械手的工作條件進行初步判定，操作者可以實施弧面凸輪機械手的工作環(huán)境初步檢驗，例如：機械加工技術環(huán)境，必須實現加工機械技術的外部環(huán)境滿足機械加工旋轉運行的需求，保障輸入軸和連桿設計符合弧面凸輪機械手的運動需求；從弧面凸輪機械手的加工內容來看，弧面凸輪機械手的零件加工一般都具有精密性特征，我們在進行零件加工的過程中，保障加工弧度與弧面凸輪機械手之間達到尺寸合理，零件加工結構上突出其存在的最佳加工狀態(tài)，為現代零件加工提供了更加完善的加工設計需求。

（3）結構方面的要求，其中包括結構的復雜性，緊湊性，為了完成某些任務零件的拆卸是否方便等?；∶嫱馆啓C械手的工作設計是由圍繞著固定軸的轉動和軸向垂直的方向運動復合而成的，弧面凸輪機械手在實際機械加工中的的應用，其工作效率不僅與弧面凸輪機械手的旋轉速率具有一定的關系，同時弧面凸輪機械手的做功速率還要求弧面凸輪機械手能夠實現手臂的伸長與縮短，弧面凸輪機械手的做功手臂的長短，實質上也受到杠桿原理的影響。當手臂加長，則弧面凸輪機械手的運行的旋轉速率加大，但整體速率性的運行過程和運行時間延長，弧面凸輪機械手進行機械加工的速率就會大大增加，新型運動結構所做功的多少則會受到影響，不同的機械運作結構帶來的機械加工速率則會隨著杠桿原理設計進行。弧面凸輪機械手零件加工的速率性發(fā)生做功要求的變化。

（4）維護方面，是否便于維護，發(fā)生故障的幾率為多少等。從弧面凸輪機械手的日常維護角度進行分析，弧面凸輪機械手的運作主要是機械輸入軸和機械連桿做重復運動，我們進行日常中，要及時對弧面凸輪機械手的連接桿與輸入軸的連接處進行，這樣可以減少弧面凸輪機械手運作時機械輸入軸與連桿之間的摩擦力，保障機械運作的速率，同時做好弧面凸輪機械手的檢驗，也可以保障機械零件加工的運行效率，及時對磨損嚴重的零件進行維護和更換（圖1）。

（5）經濟方面，能否保證經濟消耗最小化，造成的生產效率最大化，使其最大限度的為使用者帶來效益。為了進一步增加發(fā)揮弧面凸輪機械手在現代機械加工生產中的作用。我們應當在弧面凸輪機械手的應用技術上進一步開發(fā)，提升弧面凸輪機械手的零件加工效率，提升零件加工的資源應用率，從而實現現代機械零件加工可以發(fā)揮工作效率，促進現代機械加工的經濟利益，滿足機械零件的市場需求。

2.主要零件及附件的設計

2.1 連桿的設計

下面以其中一個桿為例介紹其設計，可對右圖來進行參考。水平凸輪的正常轉動從而帶動與其相接觸的滾子，而滾子和從動盤連同連桿之間有著相對的位置關系，其關系為：L子通過擺動使連桿也相對擺動，依靠連桿的末端所連接的滾子以推動滑塊從而實現在輸出軸上的水平運動。連桿主要受的力是彎矩，故將XOZ截面設計為圖2左邊的形式。因為這樣的設計可以承受較大的彎矩力。連接靠大端的所銑平面上的四個Φ7.2的孔用M6螺釘加以固定在從動盤上。而小端中有Φ24的孔，這是為了提高精確度，延長使用的壽命，從而便于更換在孔中設計有軸套[2]。

2.2 滾子的設計

在弧面凸輪機械手的設計中對滾子要求也較高，要求滾子不光要有較為準確的定位，并且還要求摩擦小、轉動靈活、便于等特點。在這里自然想到了用滾動軸承，卻又發(fā)現單個定做成本一定過高，并且不能保證其精度。通過查閱大量的資料之后發(fā)現，舉例說明：上海某軸承廠所制造的一種專用軸承與此相似。只需要對此稍作改動，就可完全滿足本設計的需要。詳細可見右圖所示。這個滾子在滾子的外圈采用滾輪的形式，用栓軸代替了內圈，這兩點使設計合理，結構緊湊[3]。

2.3 輸入軸的設計

這個弧面凸輪機構通過與減速機相互連接的電動機傳動進行傳動運動。在軸徑兩端為Φ40，這里為了簡化結構所以在軸承處軸承亦采用Φ40，在考慮到軸上有一定的軸向載荷的情況下，可采用的圓錐滾子軸承為GB/T297-199430208型。為了安裝方便選擇采用面對面的安裝。同時為了使凸輪能合理的完全靠在軸的軸肩處，所以在軸肩處設計了合理的砂輪越程槽，這里的尺寸為2×1.5。在軸上要安裝的零件有水平凸輪、提升凸輪以及聯軸器，所以軸上設置了鍵槽，這里均采用GB/T1096-1979的普通平鍵，由于b×h=12×8所以三個長度分別為80、63、50mm。在軸上的兩個凸輪可通過螺母進行固定。這里的軸用45鋼進行加工，在調質處理后的硬度應為HRC45～48。從動軸所具有的結構比較簡單，詳細可見圖3[4]。

3.擺動期運動規(guī)律的選用

3.1 弧面凸輪機械手的運動特點

為保證弧面凸輪機械手的準確性，能夠可靠地進行抓取提升和平移等工件。弧面凸輪機械手應具有以下運動的特性：

（1）精度高：要擁有更好的準確性和進行工作時的效率，就要求弧面凸輪機械手必須擁有極高的精準度，以便完成更多的具有一定難度的工作，適應多種工作環(huán)境以及工作狀態(tài)。例如：弧面凸輪機械手進行機械加工中，實施機械加工零件的關鍵性抓取，并使零件處于平鋪狀態(tài)，零件加工設計的各個部分與零件加工各個部分之間形成了良好的零件平面吻合，從而保障機械零件加工的運動平面處于同一水平狀態(tài)，實現現代零件加工技術逐精確性、穩(wěn)定性加工。

（2）運動的平穩(wěn)性：在進行很多高精度工作的時候都要求弧面凸輪機械手具有穩(wěn)定的運動，以免出現對要求的精準度高的工作造成破壞以及對生產造成不必要的損失。盡量不引起由于慣性造成的位移。

3.2 常用的運動規(guī)律

凸輪機構的運動規(guī)律目前為止已多大三十余種，足夠多種不同場合的生產需要。例如如等速度曲，簡諧曲線等運動曲線。但是在進行生產的過程中出現較高要求的情況下，就必須考慮其所具有的較高的運動學的特性，從而對其運動中的特性進行合理的改造，改善凸輪的特性常用方法之一是采用高次多項式將數條基本曲線一一連接起來。

（1）修正等速運動規(guī)律是由對等速度的曲線修正而得到的，也就是在等速曲線的兩端各自加一段經過組合而成的簡諧曲線作為過渡曲線，從而保留了等速曲線的部分優(yōu)點，同時克服了這兩端運動曲線不連續(xù)的缺點。此方式大多用于所需要速度很小或必須進行等速運動的那部分的凸輪的從動件進行的運動規(guī)律，此方法多用于需要低速重載的場合，而并不適合中速和高速。

（2）修正梯形運動規(guī)律是通過對于修正等加速度曲線的進一步修正而得。是能夠針對等加速度運動規(guī)律和加速度曲線在作用力的兩端和中間不連續(xù)而且是存在有躍度趨向無限大這種缺點，在相應的不連續(xù)部分分別加入了一段簡單的簡歇曲線對其進行過度。從而使加速度和存在的躍度曲線相互連續(xù)起來，從而克服了不連續(xù)造成的缺點。這個方法可以用于中速輕載甚至中載的場合。

（3）修正正弦運動規(guī)律是相對余弦曲線的結果。就是指在余弦曲線的兩個端點各自加上一段經由正弦曲線作為過渡而形成的的曲線，從而保留了速度較小的優(yōu)點，同時又克服了在兩端加速度方面不連續(xù)的這種缺點。相比較前兩種運動規(guī)律來說，修正正弦運動曲線的突出優(yōu)點是速度較小，綜合來講性能很好，通用性更強。通暢用于中速情況，尤其是在負載尚不明確的情況時，這種曲線最為保險。

結論

在進行弧面凸輪機械手的研究過程中，要勇于創(chuàng)新保證其能夠更好地被投入生產使用中，為社會的發(fā)展更好的貢獻出力量。

參考文獻

[1] 張文光.弧面分度凸輪機械手設計與仿真分析研究[D].集美大學，2014.

[2] 侯喜林.弧面分度凸輪機構參數優(yōu)化設計和仿真[D].蘭州理工大學，2012.

篇9

【關鍵詞】機械設計；運動機構；自由度

0.引言

科學技術的發(fā)展和進步帶動了其他很多行業(yè)蓬勃發(fā)展，在機械行業(yè)方面技術創(chuàng)新更是尤為重要的。如今機器人的創(chuàng)造和使用，使社會生活有了空前的變化，機器人技術在日常生活、工業(yè)生產、軍事活動中的應用無不起到巨大的積極作用。在機械制造行業(yè)當中，模仿人的手臂功能而制造出的機械手臂也算是機器人系統(tǒng)中的不可或缺的一部分?？梢栽诂F達的技術力量支撐下，進行各種動作的操作，只需要給它們設定好固定的程序，機械手臂就可以進行自動搬運、抓取或者操作各種工具。機械手臂可以代替人力去做那些危險的或者繁重的勞動，從而使工業(yè)生產實現機械化和自動化。如今全世界的學者博士們在機械自由度理論知識方面投入了很多精力研究，構建了許多六自由度機械手運動學的模型，但機械手在現實中、在復雜的工作條件下還不能進行很精準的作業(yè)。比如排爆機械手，在現實排爆工作中對需要抓取的物體不能提前預知其精確的位置定位，所以在抓取物體時會出現操作速度緩慢、抓取不精準等問題。因此，探討如何控制機械設計中運動機構的自由度以及控制各種類型的機械手運動軌跡等問題，是現代機械制造行業(yè)的重要課題，任重而道遠。

1.機械設計中的運動機構自由度

1.1運動機構自由度概述

機構自由度是指根據機械學原理來確定機構在具體的運動時，必須為之提供獨立運動參數的數目。即為了可以確定機械運動機構的精準位置，需要給定機械獨立運動的一個廣義的坐標數目。一般用英文f來表示這個給定的數目：如果一個構件組合體自由度f值是零，則表明它就是一個結構，同時說明它已經退化成為一個構件。當f值小于零時，那么它就是一個機構，而且表明了各個構件之間可以存在的相對運動；機械運動機構自由度還可以詳細的劃分為平面的和空間的兩種自由度。

1.2平面機構自由度定義

平面機構自由度，就是在平面上，一個剛體的桿件可由任何一點a的坐標（a，b），以及通過a點的垂線ab與橫坐標軸的夾角這三個個參數來決定，所以它的桿件擁有3個自由度。

1.3空間機構自由度定義

空間機構的自由度，即一個剛體桿件不受空間約束，不僅可以在三個正交方向上進行平行移動，而且也能在三個正交方向上以軸為中心進行轉動，所以它的桿件就擁有6個自由度。 由此可以得知，桿件在平面上擁有3個自由度，一個表現為面的旋轉，另兩個表現為前后、左右2個角度的移動；桿件在立體空間中擁有6個自由度，三個表現在前后、上下、左右三個角度的移動，另外三個則在前后、上下、左右三個面進行旋轉。所以，就把沿著三個坐標軸移動，以及繞三個坐標軸轉動，構建出的相對獨立的運動參數的數目叫做機構自由度。

1.4平面機構自由度

1.4.1構件的自由度

構件自由度是構件在機械運動的過程中有可能會發(fā)生的一項獨立運動，它是機構的基本要素之一。構件作為一個單元體，在平面機構運動的過程中屬于組成機械設計中運動機構自由度的控制。所以說，任何一個構件在進行空間的自由運動的時候，其具體地表現為6個自由度：在直角坐標系內，沿著三個坐標軸進行移動，或者繞三個坐標軸進行轉動；對于一個在平面上進行運動的構件來說，僅有3個自由度，即構件ab在xoy平面內，不但可以在任一點g處繞著z軸進行轉動，而且還可以沿著x軸、y軸方向進行移動。

1.4.2平面機構的自由度

每個平面都會存在低副和高副。低副包括轉動副和移動副，它們都是需要引入兩個約束數，使構件同時失去兩個自由度，但是只保留其中一個自由度；高副是指凸輪副和齒輪副，它們都需要引入一個約束數，但同時使構件失去一個自由度，然而保留下兩個自由度。這樣就很容易發(fā)現如下規(guī)律：在某個平面機構中，假如含有N個可動構件，即機架僅作為參考坐標，相對進行固定，未用運動副聯接前，這些可以運動的構件自由度總數應當是3N；當各個構件用運動副連接后，運動副引入約束而減少構件自由度；如果機構中存在PL個低副PH個高副，那么所有運動副引入約束數可以表示為2PL加上PH。由此，計算自由度的公式就可以得出：可移動構件自由度的總數減去所引入約束的總數來計算平面機構。

2.對六自由度機械手運動控制的探討

為了探討如何控制運動機為構的自由度，為了深度尋找運動機構自由度的潛在規(guī)律以及對其控制的有效措施，下面主要對六自由度機械手復雜運動的控制進行探討和分析。一般在實際應用過程中，若是六自由度機械手的某個或者某些關節(jié)發(fā)生故障，該關節(jié)在當前的角度就會被機械系統(tǒng)鎖定住，這就直接影響了六自由度機械手的工作的進行情況，會導致六自由度機械手本來的作用不能得以正確發(fā)揮，繼而就會有五自由度機械手，又稱“欠自由度機械手”問題的出現。所以對于此類問題來說，尤其重要的就是有效的軌跡規(guī)劃和運動控制，這樣的話機械手才能發(fā)揮正常功能，完成預期工作。此類情況在現代航空航天制造領域中也同樣適用，航天飛行器一般都裝有六自由度機械手臂，如果某個飛行器上的六自由度機械手發(fā)生故障，某個關節(jié)功能失常，導致其成為欠自由度機械手，這一個小環(huán)節(jié)的故障舅很容易致使這整個機械手臂都無法正常進行工作，整個飛行任務將受到耽誤。道理是一樣的，在其它的方面這些現象也是如此。除此以外，欠自由度機械手在工作的空間環(huán)境中只能做到部分不完全定位，對于軌跡規(guī)劃的中間位置沒有相對應的逆解方式。機械設計師們一般在實際應用中經常采用向量代數線性變換法來進行處理。可用容錯性能的機械手位置來進行逆解由關節(jié)故障形成的欠自由度機械手，這種算法十分實用。因此，容錯性能的機械手位置逆解法在探究如何控制機械設計中運動機構自由度方面具有很高的研究價值。

3.結束語

機械制造業(yè)的發(fā)展方興未艾，相關人員要高度重視機械設計方面。本文探討了機械設計中，對運動機構自由度的控制需要注意哪些問題，可以為機器人的設計制造提供了一些借鑒和參考。文中還著重講述了六自由度機械手在各種現實復雜運動中的自由度的控制方面，也希望可以對機械制造行業(yè)，關于機械在各種復雜運動中的運動和操作軌跡的設計技術上提供一些支持。將來越來越多的六自由度機器人會涌現并投入社會使用，它們在不同方式下的復雜運動控制值得深入研究，需不斷優(yōu)化和拓展其仿真易用性，將復雜控制簡單化，努力實現更加理想的自由度控制方式。

【參考文獻】

篇10

一、數控機床上下機械手的發(fā)展與動態(tài)情況

經過調查研究發(fā)現，我國目前數控機床上下機械手的研究和發(fā)展較為突出，它的動態(tài)特征也相對明顯。一是，模塊化與可重構化成為了動態(tài)發(fā)展的基礎；二是，PC機的開放型控制器變?yōu)榱松舷铝蠙C械手體系發(fā)展的主要方向，網絡化和標準化態(tài)勢異常突出。器件的集成度不斷強化，設計出的架構也更加靈巧，系統(tǒng)安全性和可靠性更為有效；三是，機械手中的傳感器發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，位置傳感器和速度傳感器得到了進一步應用，視覺、觸覺傳感器的加入使用，更是將上下料機械手推向了更為先進的方向；最后，以焊接和裝配為代表的機械產品也走向了模塊化方向，其仿真效果和動態(tài)特征異常突出。

二、上下機械手手爪架構的流程設計

數控機床上下機械手的樣式多樣，類型豐富，在操作過程中對作業(yè)和裝置的要求嚴格，根據不同的操作需求，機械手的選擇也不盡相同。最常見的機械手是測量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它們的差異明顯，作用不同。機械式手爪設計流程必須符合要求，遵循具體原則實施施工，根據其運轉和作用的內容進行相關設計和開發(fā)。為了避免它與萬能手爪方式存在矛盾，還要將工業(yè)應用作為設計的基礎，將重點放在機械手設計過程中，實現和健全它的工作職能，考慮設計流程的經濟效益。另外，機械手爪架構還必須具備通用特征，能夠使用有限數量的手爪適應不同要求的機械手，在末端執(zhí)行器開展工作的時候，還應該配置一個標準的機械接口，保證執(zhí)行過程的標準化特征。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓??；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業(yè)的加工。在對上下料機械手進行設計的過程中，一定要首先分辨用途，然后在結合實際設計流程，突出其使用效率。

三、上下料機械手設計方案的實際運轉

數控機床上下料機械手設計流程完善規(guī)范后，還要確保其實際運行的科學性。由于機械手手臂基本上都為直線式，它的剛度又較大，在運動過程中勢必會對穩(wěn)定性和安全性具有更高的要求。因此，在實際運轉過程中，一定要選用液壓驅動的方式，根據液壓缸表現出的直接性驅動特征，突出它的執(zhí)行作用，降低控制難度，并使用計算機實施管理控制。在此基礎上，機械手手臂在具體運轉過程中還具有自身的控制要求，結構設計不用過多關注長度，僅僅依賴加大液壓缸的直徑來提高其剛度，那么勢必無法滿足系統(tǒng)需要，設計問題也會暴露。針對這樣的現象，在具體設計過程中，要添加導桿機構在設計之中，在小臂上安裝導桿兩個，并使它們與活塞桿組成一個三角形，通過三角形的穩(wěn)定性提高小臂的剛度性能。在大臂上則安置四個導桿，構成一個四邊形，并且保證每個導桿都為空心樣式，進而最大限度的降低大臂重量，做好機械手設計流程的應用，發(fā)揮其技術能力。

四、機械手的主要優(yōu)勢和運用

數控機床上下料機械手的作用和優(yōu)勢明顯，它的作用突出，具備較好的特征。另外，機械手的實施方案具有速度快、工作效率高等優(yōu)勢，它的負載能力強，移位的精準性好，故障出現的頻率勢必會大大減小，其優(yōu)勢作用相當明顯。例如，機械手在DK050機床上的成功應用就是一個顯著的案例，也是數控機床柔性輸送方面的一個巨大的創(chuàng)新內容。在未來的發(fā)展過程中，它勢必會得到更加完善的運用，機械手的開發(fā)和使用也將得到前所未有的發(fā)揮，為廣大使用者提供更加便捷的服務，減少施工時間，擴大經濟效益。

五、結語