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机械手设计范文1
中图分类号：S225.92 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2248-04
目前，中国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，与发达国家存在很大的差距[1]。加速农业现代化进程，实施精确农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率已成为现代农业发展的必然趋势[2，3]。果蔬的采收方法有手工采收、机械辅助采收和机械化采收3种[4，5]，世界萝卜的总产量为4 900万t/年，其中中国680万t/年，国内的采摘作业基本上都是手工进行的，收获作业劳动强度大。随着农业设施的发展和作业机械化的要求，对萝卜种植模式要求也越来越高，种植、管理和收获的劳动量也越来越大，亟需研究开发果蔬收获机器人，实现果蔬的机械化、自动化与智能化收获[6，7]，为此，通过对萝卜种植与采收情况的调研，设计了一款萝卜采收机械手，以期为萝卜的自动化采收打下一定的基础。
1 萝卜采收机总体设计
根据萝卜采收过程的特殊性，为了提升萝卜采收的工作效率，所设计的是一种农业机械中的收获机械手，由执行系统、驱动系统和控制系统组成，其组成示意图如图1。
2 萝卜采收机械手关键部位机械设计
萝卜采收机械手的关键部位主要包括：1）手爪部位。手爪部位的主要工作是对萝卜进行抓取，为了减少手部由于惯性带来的不平稳性，此部位采用回转的形式，而手爪只用两根手指代替；2）手腕部位。手腕是连接手爪部位和手臂部位的关键地方，其主要工作是调整萝卜的方位，使萝卜被抓的时候可以进行摆动和回转，辅助萝卜采收过程的连贯性；3）手臂部位。手臂部位的主要作用就是支承，在采收过程中带动其他部件运转，并按照采收要求将萝卜搬运到指定的位置，设计时只需要实现手臂部位的升降与摆动即可。此次设计机械手应实现的功能：萝卜的挖掘、被挖掘的萝卜转移到指定位置，图2为机械手的机构形式简图。
2.1 机械手基本技术参数的选定
由于萝卜生长的自然环境决定了萝卜采摘过程中所需要的拔取力，故需要对不同地方生长的萝卜进行采收力的测定。把细绳系在萝卜的茎叶或者根茎部位，细绳的末端连接计力器材，多次读取并记录最大拉力。图3为湖北省长阳和沙洋两个地区分组测试萝卜拔取力的试验结果，现取5组数据平均值F=80 N，萝卜重量约为0.5kg，故重力G=5 N，摩擦系数f=0.2，夹紧力N=0.5 G/f，得N=12.5 N。
机械手手臂上下行程为500 mm，手腕旋转角度90°，手臂旋转角度90°，按照循环步骤安排确定每个动作的时间，从而确定各动作的运动速度。各动作的时间分配要考虑多方面的因素，包括总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等[8]，此次设计各动作依序进行，为保证萝卜的质量必须限制采摘速度及加速度，采摘速度初步定在小于1 m/s，此速度由各关节液压缸流量控制保证。
2.2 机械手末端执行机构的设计
手部是用来直接握持萝卜的部件，由于被握持萝卜的形状、尺寸大小、重量、表面状况等的不同，根据实际要求，设计采用夹钳式的手部结构。夹钳式手部结构由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的物体具有较大的适应性，常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松[9]。由于抓取尺寸约为90 mm×240 mm的圆柱体，故采用夹钳式平面指形结构较为合适。
设计中机械手手爪在夹持萝卜时，其夹握力分析简图如图4。为了增大夹握力，采取以下两种方法：①设计铲刀角度170°，以增加手指和萝卜的接触面积；②增大手指和萝卜间的摩擦系数，为此采用较宽手指与萝卜接触，故此处f取0.2，将上述数值代入得：
N=■G=■×5=12.5N 公式（1）
式中，N为夹持萝卜时所需要的握力；G为工件重量转化的重力； f为摩擦系数。
考虑到在传送过程中还会产生惯性力、振动以及受到传力机构效率等的影响，故实际握力还应按公式（2）计算[10]：
N实≥N・■ 公式（2）
式中，η为手部的机械效率，一般取0.85～0.95；k1为安全系数，一般取1.2～2.0；k2为工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，按公式（3）估算[10，11]：
k2=1+a/g公式（3）
其中，a为抓取工件传送过程中的最大加速度，g为重力加速度。
若取η=0.9，k1=1.5，k2按a=g/2计算，k2=1+a/g=1.5，则
N实≥N・■=12.5×■≈32 N 公式（4）
2.3 机械手腕部位的设计
机械手腕与机械手臂连接在一起，手臂运动结束后调整手腕的位置状态，以此来提高萝卜采收过程的拔取率。手腕部位的机械结构设计应该力求扎实紧凑，且转动惯性小。手腕也是末端执行部位与机械手臂之间的桥梁，处于手臂部位的前端，手爪的末端，因此其承受载荷的性能直接关系到萝卜的采收过程，在设计的过程中还要考虑其机械强度与刚度，并且要让其布局合理。结合设计要求，设计出腕部位的结构如图5，其为典型腕部结构中具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，直接用回转液压缸驱动实现腕部的回转运动。
2.4 机械手臂部位的设计
机械手的手臂部位是实现机械手末端手爪进行大尺度位姿变换的关键部件，即把末端手爪部分移动到空间的指定地点。手臂部位的驱动形式主要有液压传动式和机械传动式两种，由于手臂部位的大尺度工作范围，以及工作中也需承受腕部和手爪部位的动力载荷，而且其姿态调整的灵活性影响到机械手的定位精度，因此手臂部位采用液压回转缸的形式实现手臂的大尺度旋转动作，如图6所示的手臂结构，采用一个回转液压缸，实现小臂的旋转运动。从A-A剖视图上可以看出，回转叶片用键和转轴连接在一起，定片和缸体用销钉和螺钉连接，压力油由左油孔进入和右油孔压出，以此来实现手臂部位的旋转。
3 萝卜采收机械手液压驱动系统设计及PLC控制设计
3.1 液压驱动系统的设计
从萝卜采收的工艺过程可以得出，机械手运动的时候液压系统中液压油的压力和流量不需要太高，设计使用电磁换向阀的液压回路可以较好地提高采收过程的自动化程度。从降低供油压力的角度来分析，机械手的液压系统可以采用单泵供油，而手臂部位的旋转和位姿的调整等相关机构采用并联供油。为了防止多缸的运动系统在运动的过程中产生干涉和保证运动过程中实现非同步运动或者是同步运动，油路中的换向阀使用中位“O”型换向阀，夹紧缸换向选用二位三通电磁阀，其他缸全部选用“O”型三位四通电磁换向阀[12，13]。机械手臂位姿调整的过程中要求行程可变，在液压缸的起动和停止的过程中也需要缓冲，但由于回转缸内空间狭小，且回转缸为小流量泵供油，故本系统没有在回转缸换向回路中采用缓冲回路，仅在大流量直动液压缸中采用缓冲回路。
在上述主要液压回路定好后，再加上其他功用的辅助油路（如卸荷、测压等油路）就可以进行合并，完善为完整的液压系统，并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表，其中液压原理图如图7。
3.2 PLC控制设计
为了让机械手工作时可靠且有较强的稳定性，控制部分的设计思路是让该机械手的部件顺序动作，所以，在任一时间该机械手都只有一个部件被驱动，而各个部件的运动方式和运动范围都是受其结构限制的[14，15]。PLC的状态流程简图如图8所示，机械手在自动运动状态时每一个周期需要完成以下动作：萝卜采摘开始时，机械手被设定在准备状态，第一步为手臂下降；下降完成后，手爪扎入地下指定深度，进行第二步手爪夹紧；为完成挖萝卜动作，手腕带动手爪及萝卜旋转90°；完成上述动作后，机械手臂向上提升完成拔去动作；手臂摆动90°，以实现对萝卜的转移；最后手臂回摆，手腕回摆，机械手回到初始状态。
4 小结
通过对机器人技术及机械手结构的分析，对萝卜采收的过程进行了研究，确定萝卜采收机械手的整体方案结构，设计萝卜采收机械手的关键结构。萝卜采收机械手能配合萝卜采收机依次完成萝卜的拔取、翻转、转位等动作，但该机械手在结构及工作性能的稳定性方面还需在田间进行试验，控制方案有待根据不同地区的种植情况进行优化。
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机械手设计范文2
【关键词】后定位器机械手；气动技术；机械结构；PLC控制
一、绪论
日照某公司冲压车间，现有一台xxx型冲床，专门用于生产后定位器部件。目前生产采用手工上料、手工压紧、冲压后半手工卸料。这种生产方式导致了该冲压件的生产质量很大程度上取决于操作人员的技术水平，且存在较大的安全隐患。
根据山东水利职业学院和该公司冲压车间合作，进行后定位器部件弯曲冲压冲床的自动上料技术改造。解决该冲床的，生产效率低，安全防护差，人员依赖强的缺点，实现设备的全自动，高效，安全运行的目的。
二、后定位器机械手系统的总体思路
（一）主要技术参数
后定位器机械手采用光机电气一体化技术，针对后定位器部件弯曲组装工序进行的技术改造，实现工件毛坯的自动上料与卸料。通过调研现场冲压机床的安装布局，发现后定位器机械手的结构除满足冲床的工作行程外，还要满足现有的模具空间要求。
后定位器机械手的主要要求如下：
工件不允许被磁化。
工件表面不允许被划伤。
保证坯料被放到正确的冲压位置。
生产效率比目前的手工操作要高。平均19件/分，约为目前纯人工上料操作的1.46倍。
运行安全可靠，能耗低，噪音小，绿色无污染。
实现后定位器机械手的自动控制。
（二）后定位器机械手系统整体框架
后定位器机械手主要由控制系统，驱动系统，执行机构和检测装置四大部分构成。其中，执行机构分别是完成工件上料、送料、卸料的带有接料盒的气动导轨、气动真空吸附机械手、提升板和推板。本设计是由气压来进行驱动。控制系统是以PLC为核心的控制器。控制系统采用闭环控制系统，保证了系统的精度。
综上所述，机械手控制系统整体框图1如下：
（三）后定位器机械手系统总体设计
当安装在冲床上的凸模开始向上运动做返回行程时，上料装置的气动吸盘迅速从带有送料板的气动导轨上吸取坯料，然后气动装置，沿双向导轨快速运动，通过行程开关使坯料能够准确到达冲床模具的冲压位置。吸盘将坯料放到冲压模具的凹模上时，通过六个定位销进一步定位，并且，吸盘运动到使坯料接触凹模上表面后才松开坯料，这样保证了坯料能够放平，准确地定位。在坯料到达模具冲压位置之前，安装在送料装置前端的卸料装置已将上一个已加工好的工件推到卸料槽内，工件靠重力滑落到工件箱内，自行完成卸料。
系统的主要特点如下：
1.采用无损、无磁化的柔性多功能真空吸盘抓料手；
2.采用双轨导向、重力落料的自动定位贮料装置；
3.采用高精度的双导轨导向机构，确保取料、送料和放料的精度；
4.通过取料板上的特制模腔与贮料装置的准确配合，实现料片的连续、准确、单一的提取。
5.系统具有自动检测料片有无报警装置，并且可以实现准确定位。
（四）后定位器机械手系统组成
后定位器机械手主要由机械机构与控制系统两大部分组成，如图2所示。机械机构主要包括取料装置与卸料装置，如图3所示。控制系统采用PLC技术，通过自动控制装置，使各种装置按照一定的顺序和时间间隔发生动作。控制送料的时间与冲压行程之间的满足规定的协调关系，保证一定的生产率和运动时间的准确性，不允许有超前或迟滞现象。
1.上料机构设计方案
后定位器机械手的送料机构主要由取料装置与送料装置组成。其中，取料机构用来完成坯料的单一提取，送料装置完成坯料的吸取、坯料的输送与定位工作。取料装置完成每次从坯料盒中自动取下一件坯料，并通过导轨传动和行程开关的作用，将坯料停放在吸盘的工作位置。然后送料过程开始，通过送料装置，将坯料准确输送到冲压工作位置，为冲做好准备。如图4所示。
2.取料装置设计方案
取料装置，主要由气动装置、坯料盒（贮料装置）、接料盘、导轨、限位装置等部分组成。通过取料装置把料片送到周转工位。
由于料片的不规则，最终确定了取料装置的机械设计。它主要由坯料盒（贮料装置）和带接料盘的取料板两部分组成。
三、PLC控制器的设计原则及其选型
（一）PLC的型号确定
本文中机械手控制系统选用的是S7―200系列中的CPU224的型号。该型号PLC集成的数字量输入/输出为14入10出共24个数字量I/O点，可以很好的满足本设计控制系统中的11个输入9个输出共20个数字量的要求。
（二）PLC控制器的I/O点分配
根据机械手动作流程分析及PLC的I/O点数，可以确定电气控制系统的I/O点分配，根据I/O点分配表可以画出PLC的外部接线图如图6所示。
（三）后定位器机械手控制程序设计
1.控制流程图设计
采用PLC对机械手进行控制，首先要明确机械手的工作要求和运动规律，当机械手的动作流程发生改变时，只需要改变PLC程序即可实现。按照机械手的控制要求，合理画出机械手的运动流程。设定取料板到达坯料盒下方的位置（进行取料的位置）为取料终止位、取料板到达上料手取料的位置为取料初始位、上料手要进行下降吸料的位置为上料初始位、上料手要进行下降放料的位置为上料终止位、上料手上升停止的位置为上限位、上料手下降停止的位置为下限位，后定位器机械手控制主流程图如图7所示。
2.PLC程序设计
后定位器机械手控制系统的主程序设计如图8所示，其中包括取料板取料复位子程序，上料手复位子程序，上料手送料子程序。
四、结论
本文综合利用光机电气数一体化技术，采用数字化软件及虚拟样机设计技术和PLC控制技术，完成了后定位器机械手系统的设计与研发。设计开发的后定位器机械手系统具有技术含量高，制造成本低，设备的附加成本低，安全、节能、环保等优点。通过后定位器机械手的现场安装调试，无需对现有的车间设备布局进行调整，无需对现有的冲压机床设备进行结构改变，提高了生产率，实现了冲压生产的自动化水平，提高了定位精度，降低了企业制造成本。
参考文献：
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作者简介：
机械手设计范文3
【关键词】气动机械手；气缸；优化设计；PLC
0 引言
炼胶生产线一般包括上辅机（包括胶料、粉料和油料的称量及投送系统）、胶料混炼设备（密炼机）和下辅机（胶片挤出、冷却和称量系统）三大部分。由于密炼机和下辅机之间的胶料需循环返回多次精炼的要求，而气动机械手是传递机构中的重要部分，通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位，且是以空气为介质，具有使用、维修方便、安全、可靠、成本低、寿命长等特点，采用气动方式控制机械手机构被很多场合所采用[1]。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。
1 气动机械手的工作原理
图1 气动机械手的运动示意图
图2 气动机械手工作流程图
如图1所示，此气动机械手具有两个弧线升降运动，一个旋转运动和一个直线运动的自由度，将炼胶机的出料搬运至左侧或右侧的炼胶机上。机械手的动作除了左右旋转应用电机控制之外，其余全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升和下降、左转和右转、夹紧和放松的功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种气动机械手。
在主臂立柱底座上安装电机以便控制其回转自由度。小臂a与主笔立柱之间用气缸A控制连接，以便控制小臂a的弧线升降。在小臂a与小臂b之间采用气缸B连接，以便控制小臂b的弧线升降，在小臂b和夹持机构之间采用气缸C连接以便当小臂运动时夹持机构在气缸C的作用下能保持平稳的运行和垂直度，气缸C的充放气特性以及运动轨迹根据气缸B和A的充放气特性来决定。夹持机构的开合和夹紧由气缸D控制。将气动机械手的零点（原始状态）定为开始工作位的回转限位、升降限位、伸缩限位及放松状态。气动机械手为实现移料动作，需要完成如图2所示的工作流程图。
2 气动机械手气动回路的构成及原理
气动回路主要是由气源、各种控制阀以及执行气缸等组成，下面介绍回路的关键部件-执行气缸。
执行气缸包括连接主臂立柱和小臂a的气缸A，连接小臂a和小臂b的气缸B，连接小臂b和夹持机构的气缸C，以及控制夹持机构的气缸D。由于不同的气缸控制不同机械结构，其输出力也不同，所以四种气缸的型号也不同。同时要求气动机械手能够在升降过程中任意位置实现精确定位，精度要求为 1mm以内。由负载性质及气缸运动速度选定负载率β值，即可求出所需的气缸理论输出力P=F/β。
气缸D所控制的夹持机构和物料最大重量约为50kg，气缸C所控制的最大重量约为55kg，气缸B所控制的小臂b的最大重量约为70kg，气缸A所控制的小臂a的最大重量约为80kg。
一般来说，气缸可以保证起点和终点的定位精度，因此，对于夹持机构Z轴方向的定位，应用一般的气缸就可以保证其定位精度和使用要求。而对于小臂a和小臂b的升降精度要求，则可以使用 SMC公司一种新型CEI型气缸，在结构上增加了位移传感器件，使之与气缸浑为一体，整体结构紧凑合理，设计新颖，提高了气缸位移监测的性能，CEI型气缸在杠杆的两侧刻有细纹磁栅，当气缸左右移动时，位移传感部分将以双向脉冲方波形式输出能够实现中间任意位置的定位[4]，而且其定位精度可达到1mm以内，因此，应用上述气缸可以满足小臂a和小臂b的升降定位精度的要求和使用要求。根据以上原则和条件，详细选型见下表1。
表1
总体气动系统原理图如图3所示。气源首先经过滤减压阀处理，通过相应的电磁换向阀后进入各个气动执行元件。
图3 气动系统原理图
1、2、3、4―2位5通双电控电磁阀；5―气源处理组件；6―气罐
3 气动机械手控制系统配置
根据机械手运动仿真方案，机械手的循环动作依次为：上升正转下降伸出夹紧上升反转放松缩回反转下降下一循环。为了根据实际工作环境确定机械手工作时磁性限位开关的位置并调试机械手，对机械手的每一动作设定一个手动控制按钮。同时，为了保证气动机械爪工作时，整个机械手只能执行其一个动作，需要在程序上设计互锁功能。气动控制系统一般由控制器，电―气控制元件、气动执行元件、稳压气源、传感器和接口电路组成[2]。控制器一般指计算机、单片机或可编程控制器等控制器件，气动执行元件常用的有气缸、气爪、控制阀等，传感器一般指位置传感器、速度传感器和加速度传感器，接口电路指控制器与控制元件、控制器与传感器之间的接口[3]。
气动机械手有两种控制方式：操作面板控制和个人计算机控制，两种控制方式均以 PLC 为主要控制模块，其中个人计算机控制要求 PLC 与上位机实现有效通讯，通过上位机程序的改变来实现 PLC 程序的更新与运动参数的变化。为了实现气动机械手操作面板控制和个人计算机控制两种操作方式，拟采用PLC 为下位机，PC 机为上位机的控制模式，PLC 与 PC 机之间通过 RS232 协议实现通信，完成控制过程中的数据交换[5]。可编程控制器的程序运行方式是循环扫描方式，而非顺序方式，因此任何一个气缸在条件满足后即开始动作，在机械手运行中遇到突然停电时，可以关闭气源，对工件进行处理， 来电后重新初始化各项个元件与程序。
我们所要控制的系统中，有8个行程开关信号、一个按钮开关信号、一个由定位系统动作结束发出的信号共10个输入点，因此我们选用了西门子S7-200系列CPU224型号PLC，它有14路数字量输入点和10路数字量输出点，具有体积小、处理数据和通讯能力强、存储器容量大等优点。基本位布尔运算执行时间为0.22μs，用户存储器容量SK字节[6]。而且它还具备6路30kHz单相高速计数器和2路20kHz高速脉冲输出可以分别用来接收旋转编码器信号和直接控制步进电机运行。有模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、位置控制模块、数据输入/输出模块、通信模块等，可以实现模拟量控制、位置控制和联网功能，在功能上完全满足了控制系统的要求，并留有一定数量的FO通道作为照明电路和其它储备用途。
图4 控制系统组成简图
4 结论
本文主要研究了气动机械手的执行机构和驱动系统的原理并进行了设计，采用气动驱动作为机械手的驱动方式，通过分析设计执行气缸及其控制阀等模块，以满足相应的动作要求，根据气动机械手的功能要求绘制了机械手的控制系统流程图，使机械手能实现多点连续的控制，同时分析气缸C和气缸B的充放气特性，以便优化两者的先后动作，再结合S7-200可编程控制器，使气动技术在顺序动作的逻辑控制系统的优点得到充分发挥。
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机械手设计范文4
[关键词]弧面分度凸轮机构；逆向设计；运动仿真
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0156-02
前言：弧面分度凸轮机械手是一种基于弧面凸轮机械结构的间歇进行分度的装置。能够按照生产工艺的要求进行自动的进行传送，装卸，升降，提取，装配，焊接，钻孔，堆垛，检测等任务。尤其是在高温高压粉尘噪音及带有高辐射的环境中使用更佳。其主要特点是结构紧凑，工作效率高，寿命长，精度高，适用于汽车制造，包装，电子，医药等行业，使用前景极佳。
1.弧面凸轮机械手的设计原理及方法
1.1 弧面凸轮机械手的运动形式
根据适用场所的不同，弧面凸轮机械手的运动方式也不同，一般情况下，弧面凸轮机械手要搬运物品，要求手臂要能够进行提升和转动的运动，所以弧面凸轮机械手的运动由这两者复合形成，主要有从动件来实现。所有的运动类型都是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，在现实的工作生活中还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短[1]。
1.2 弧面凸轮机械手的结构
在初步设计结构类型的过程中，主要要考虑以下情况：
（1）能否完美的满足原有既定的工作模式，如工作效率，运动形式等问题。当弧面凸轮机械手围绕现代整体设计结构进行旋转运动，系统运动结构将实现整体运动旋转结构的运动结构逐步优化，并建立起机械运动结构，不同的机械加工运作模式，实现现代加工技术逐步实现综合技术的工作模式的工作循环，为了保障弧面凸轮机械手的运作效率，应当从保障弧面凸轮机械手的运动灵活性增强，机械运作的整体的结构可以控制在合理有用功大于无用功的均衡分配上，多元化的弧面凸轮机械手的机械运动效率推进现代机械运转的效率，保障机械运作的整体机械加工运作速率。
（2）能否对工作条件有完美的满足，如工作环境，工作内容，制度以及可靠性等。为了对弧面凸轮机械手的工作条件进行初步判定，操作者可以实施弧面凸轮机械手的工作环境初步检验，例如：机械加工技术环境，必须实现加工机械技术的外部环境满足机械加工旋转运行的需求，保障输入轴和连杆设计符合弧面凸轮机械手的运动需求；从弧面凸轮机械手的加工内容来看，弧面凸轮机械手的零件加工一般都具有精密性特征，我们在进行零件加工的过程中，保障加工弧度与弧面凸轮机械手之间达到尺寸合理，零件加工结构上突出其存在的最佳加工状态，为现代零件加工提供了更加完善的加工设计需求。
（3）结构方面的要求，其中包括结构的复杂性，紧凑性，为了完成某些任务零件的拆卸是否方便等。弧面凸轮机械手的工作设计是由围绕着固定轴的转动和轴向垂直的方向运动复合而成的，弧面凸轮机械手在实际机械加工中的的应用，其工作效率不仅与弧面凸轮机械手的旋转速率具有一定的关系，同时弧面凸轮机械手的做功速率还要求弧面凸轮机械手能够实现手臂的伸长与缩短，弧面凸轮机械手的做功手臂的长短，实质上也受到杠杆原理的影响。当手臂加长，则弧面凸轮机械手的运行的旋转速率加大，但整体速率性的运行过程和运行时间延长，弧面凸轮机械手进行机械加工的速率就会大大增加，新型运动结构所做功的多少则会受到影响，不同的机械运作结构带来的机械加工速率则会随着杠杆原理设计进行。弧面凸轮机械手零件加工的速率性发生做功要求的变化。
（4）维护方面，是否便于维护，发生故障的几率为多少等。从弧面凸轮机械手的日常维护角度进行分析，弧面凸轮机械手的运作主要是机械输入轴和机械连杆做重复运动，我们进行日常中，要及时对弧面凸轮机械手的连接杆与输入轴的连接处进行，这样可以减少弧面凸轮机械手运作时机械输入轴与连杆之间的摩擦力，保障机械运作的速率，同时做好弧面凸轮机械手的检验，也可以保障机械零件加工的运行效率，及时对磨损严重的零件进行维护和更换（图1）。
（5）经济方面，能否保证经济消耗最小化，造成的生产效率最大化，使其最大限度的为使用者带来效益。为了进一步增加发挥弧面凸轮机械手在现代机械加工生产中的作用。我们应当在弧面凸轮机械手的应用技术上进一步开发，提升弧面凸轮机械手的零件加工效率，提升零件加工的资源应用率，从而实现现代机械零件加工可以发挥工作效率，促进现代机械加工的经济利益，满足机械零件的市场需求。
2.主要零件及附件的设计
2.1 连杆的设计
下面以其中一个杆为例介绍其设计，可对右图来进行参考。水平凸轮的正常转动从而带动与其相接触的滚子，而滚子和从动盘连同连杆之间有着相对的位置关系，其关系为：L子通过摆动使连杆也相对摆动，依靠连杆的末端所连接的滚子以推动滑块从而实现在输出轴上的水平运动。连杆主要受的力是弯矩，故将XOZ截面设计为图2左边的形式。因为这样的设计可以承受较大的弯矩力。连接靠大端的所铣平面上的四个Φ7.2的孔用M6螺钉加以固定在从动盘上。而小端中有Φ24的孔，这是为了提高精确度，延长使用的寿命，从而便于更换在孔中设计有轴套[2]。
2.2 滚子的设计
在弧面凸轮机械手的设计中对滚子要求也较高，要求滚子不光要有较为准确的定位，并且还要求摩擦小、转动灵活、便于等特点。在这里自然想到了用滚动轴承，却又发现单个定做成本一定过高，并且不能保证其精度。通过查阅大量的资料之后发现，举例说明：上海某轴承厂所制造的一种专用轴承与此相似。只需要对此稍作改动，就可完全满足本设计的需要。详细可见右图所示。这个滚子在滚子的外圈采用滚轮的形式，用栓轴代替了内圈，这两点使设计合理，结构紧凑[3]。
2.3 输入轴的设计
这个弧面凸轮机构通过与减速机相互连接的电动机传动进行传动运动。在轴径两端为Φ40，这里为了简化结构所以在轴承处轴承亦采用Φ40，在考虑到轴上有一定的轴向载荷的情况下，可采用的圆锥滚子轴承为GB/T297-199430208型。为了安装方便选择采用面对面的安装。同时为了使凸轮能合理的完全靠在轴的轴肩处，所以在轴肩处设计了合理的砂轮越程槽，这里的尺寸为2×1.5。在轴上要安装的零件有水平凸轮、提升凸轮以及联轴器，所以轴上设置了键槽，这里均采用GB/T1096-1979的普通平键，由于b×h=12×8所以三个长度分别为80、63、50mm。在轴上的两个凸轮可通过螺母进行固定。这里的轴用45钢进行加工，在调质处理后的硬度应为HRC45～48。从动轴所具有的结构比较简单，详细可见图3[4]。
3.摆动期运动规律的选用
3.1 弧面凸轮机械手的运动特点
为保证弧面凸轮机械手的准确性，能够可靠地进行抓取提升和平移等工件。弧面凸轮机械手应具有以下运动的特性：
（1）精度高：要拥有更好的准确性和进行工作时的效率，就要求弧面凸轮机械手必须拥有极高的精准度，以便完成更多的具有一定难度的工作，适应多种工作环境以及工作状态。例如：弧面凸轮机械手进行机械加工中，实施机械加工零件的关键性抓取，并使零件处于平铺状态，零件加工设计的各个部分与零件加工各个部分之间形成了良好的零件平面吻合，从而保障机械零件加工的运动平面处于同一水平状态，实现现代零件加工技术逐精确性、稳定性加工。
（2）运动的平稳性：在进行很多高精度工作的时候都要求弧面凸轮机械手具有稳定的运动，以免出现对要求的精准度高的工作造成破坏以及对生产造成不必要的损失。尽量不引起由于惯性造成的位移。
3.2 常用的运动规律
凸轮机构的运动规律目前为止已多大三十余种，足够多种不同场合的生产需要。例如如等速度曲，简谐曲线等运动曲线。但是在进行生产的过程中出现较高要求的情况下，就必须考虑其所具有的较高的运动学的特性，从而对其运动中的特性进行合理的改造，改善凸轮的特性常用方法之一是采用高次多项式将数条基本曲线一一连接起来。
（1）修正等速运动规律是由对等速度的曲线修正而得到的，也就是在等速曲线的两端各自加一段经过组合而成的简谐曲线作为过渡曲线，从而保留了等速曲线的部分优点，同时克服了这两端运动曲线不连续的缺点。此方式大多用于所需要速度很小或必须进行等速运动的那部分的凸轮的从动件进行的运动规律，此方法多用于需要低速重载的场合，而并不适合中速和高速。
（2）修正梯形运动规律是通过对于修正等加速度曲线的进一步修正而得。是能够针对等加速度运动规律和加速度曲线在作用力的两端和中间不连续而且是存在有跃度趋向无限大这种缺点，在相应的不连续部分分别加入了一段简单的简歇曲线对其进行过度。从而使加速度和存在的跃度曲线相互连续起来，从而克服了不连续造成的缺点。这个方法可以用于中速轻载甚至中载的场合。
（3）修正正弦运动规律是相对余弦曲线的结果。就是指在余弦曲线的两个端点各自加上一段经由正弦曲线作为过渡而形成的的曲线，从而保留了速度较小的优点，同时又克服了在两端加速度方面不连续的这种缺点。相比较前两种运动规律来说，修正正弦运动曲线的突出优点是速度较小，综合来讲性能很好，通用性更强。通畅用于中速情况，尤其是在负载尚不明确的情况时，这种曲线最为保险。
结论
在进行弧面凸轮机械手的研究过程中，要勇于创新保证其能够更好地被投入生产使用中，为社会的发展更好的贡献出力量。
参考文献
[1] 张文光.弧面分度凸轮机械手设计与仿真分析研究[D].集美大学，2014.
[2] 侯喜林.弧面分度凸轮机构参数优化设计和仿真[D].兰州理工大学，2012.
机械手设计范文5
关键词：光盘库，机械手，驱动控制系统，电机;
Abstract：Optical disk library manipulator driving control system is a key component of optical disk library system， the jukebox manipulator driving control system is designed and implemented， using STC12C5628AD Series MCU system as the control core， using L293 and the drive circuit to achieve control of the manipulator drive motor. According to control program flow design，through driving control experiment， the results show that the system realize the rise， manipulator， left， right， down， or gripper catch disc functions， speediness and stability can meet the performance requirements of optical disk library manipulator， has some practical significance to enhance the level of the domestic disc library research and application.
Key words：Optical disk library; Manipulator; Drive control system; Motor
引言
光盘库是以光盘作为存储载体的高可靠性的海量、安全机电一体化近线存储设备，对海量光盘数据进行集中管理，其主要由机械手、光盘架和光驱（CD-ROM驱动器）三部分组成。光盘库广泛地运用于煤矿监控系统，作为数据存储和备份的重要方式，它利用机械手从机柜中选出一张光盘送到驱动器进行读写。光盘库可通过光纤通道或 SCSI 端口与服务器相连，光盘驱动器则通过自身接口与主机交换数据。当用户要访问光盘库时，首先，由机械手将驱动器中的光盘取出并放置到光盘架上的指定位置，为光盘腾出位置，然后，再从光盘架中取出所需的光盘并送入驱动器中。
关于光盘库，国外进行了大量的研究与应用，技术相对领先，但由于技术保密等因素限制，相关研究文献很少，国内从事光盘库产业的公司主要有广州影达影像设备有限公司、上海美佳达计算机工程有限责任公司、福特瑞斯（北京）科技有限公司、北京鸿瑞智达科技有限公司等，但国内光盘库的起步较晚，他们中大多是外国公司的国内，即销售国外光盘库产品，而真正从事光盘库研发的公司很少[1]。
除了光盘驱动器以外，光盘自动换盘机构即机械手要保证安全、高速、准确地将光盘片从库中取出并送入空闲的指定光盘驱动器中，是整个系统中关键的执行机构。另外，光盘库数据的平均访问时间比磁带和磁盘高很多，磁盘的平均寻道时间在毫秒级，显然光盘库的机械手已经成为光盘库系统的性能瓶颈[2][3]。因此，对光盘库机械手控制系统进行设计、开发具有较重要的现实意义，本文设计的机械手将装、卸盘片的功能设计在一起，在主控制电路设计上，将机械手控制、定位检测部分和光盘驱动器中的光头控制部分结合在一起，由一片单片机控制。
1 机械手驱动控制系统设计
要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约，它们之间的相互关系构成机械手控制系统的控制原理，如图1所示。
控制系统使用宏晶科技生产的STC12C5628AD系列单片机作为控制核心，扩展了必要的电子元器件。主机通过TTL-RS232电平转换实现与上位机通信，并和从机保持交换数据。接口板模式下根据上位机传来的指令设置输出，把检测到的数据送到上位机。
1.1 电机驱动控制。机械手各活动部件采用直流电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制直流电机转动与停止，各个电机的协调转动。设计的光盘库机械手共需4个直流电机，每个电机上均配有变速箱。一个控制上下移动的大电机额定电压为9V，功率为2.4W;另三个小电机额定电压也为9V，功率为1.1W，分别控制中间支点部分的旋转、机械臂的伸缩和机械手抓放物体。
电机驱动控制电路如图2所示，采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。L293将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机[4][5][6]。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。
1.2 位置检测。初始位置检测利用主机的P2.2、P2.3、P2.5和P2.6使各部分碰到行程开关，即达到指定位置后断开;INT0和INT1中断来进行位置检测;P1.1-P1.4引脚为电机驱动输出，最后通过P1.0-P1.3口对电机电流进行检测，判断是否堵转。
本设计限位行程开关安放在机械手的四个运行方向上。限位行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当机械手运行时，触碰到限位行程开关，信号处于高电平状态。单片机采集到限位行程开关的高电平信号，发出指令，使机械手停止运行，并进行下一个动作。计数行程开关安装在齿轮旁边，计数行程开关在没有触碰时信号处于低电平状态。当电机转动时带动齿轮转动，计数行程开关被触碰处于高电平状态，齿轮每次触碰，单片机记下一个高电平信号，因此只需记录下行程开关的触发次数即可知道电机的转数，从而可控制手臂在垂直方向的位置。
2 控制系统调试
光盘的入库及出库是光盘库自动化管理的一个重要方面。光盘入库和出库不仅仅限于光盘的正确插入和抽取，还包括数据库信息的同步更新，保证光盘库和数据库内容的一致，从而准确地返回客户端请求。光盘正确入库和出库减轻了人工操作的负担，保证了系统正常运行，是光盘库自动化管理的重要组成部分。通过按键或者上位机远程控制，实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能，控制程序流程图如图3所示。
在某个Linux终端向机械手服务端循环发送取盘、放盘指令，使机械手满负荷运行。经测试，该系统平均无故障时间大于30万次，换盘时间最长为7秒，具有运行速度快、工作稳定等特点，如表1所示。
另外，将光盘插入光盘库后，请求光盘的内容，机械手能正确地定位到光盘，并将请求的文件拷贝到本地光盘正确出库，再次请求光盘内容，提示光盘不在光盘库中。
3 结语
本文对光盘库机械手驱动控制系统进行了设计与实现，控制系统采用STC12C5628AD作为控制核心，采用L293及驱动电路实现对电机的驱动控制。按照设计的控制程序流程进行驱动控制实验，实验结果表明本系统实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪抓盘、放盘等功能，快速性和稳定性能够满足光盘库机械手性能的要求。本项目是对光盘库系统实际开发工作的一次尝试，对提升国内光盘库的研究、应用水平有一定的现实意义。
参考文献：
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[5]杨健， 朱瑞祥等. 基于单片机齿轮热模锻机械手控制系统设计[J]. 机械设计与制造，2012（7）：182～184.
机械手设计范文6
关键词：并联机械手 三菱QPLC QD75 视觉分析
1 引 言
机器人可以代替人类进行很多繁重和危险的工作，是过去数千年一贯的梦想。人类进入二十一世纪以后，现代科技飞速发展，让机器人逐渐由梦想变为现实。现在机器人已经成为信息和自动化行业蓬勃发展的一个重要领域。机器人从结构上可以分为串联机器人和并联机器人两类，串联机器人具有工作空间大、操作灵活等优点，虽然在工业生产中得到了应用，但是它也存在承载能力低、动力学性能差和关节误差累积等缺点。在实际应用中需要机器人具有高的承载能力、良好的动力学性能以及高精度等要求时，这就迫切需要有另外一种机械结构形式的机器人可供选择。在这种情况下，并联机器人就应运而生了。并联机器人与传统的串联机器人相比，并联机器人具有运行速度快、承载能力强、高柔性化、精度高以及惯性小等特点，因而在航天、航空、航海、机电工业、医疗器械、微型微动机械等方面得到了广泛的应用。
并联机械手由于其诸多的优点成为现在研究领域的热点，由于其运行速度快、承载能力强、高柔性化、精度高以及惯性小等特点，已在航天、航空、航海、机电工业、医疗器械、微型微动机械等方面得到了广泛的应用。PLC的控制使得并联机械手的运动轨迹和控制更加的科学化、人性化。可自动按程序完成工件的检测、抓取、放置、按照设定的轨迹进行工作，保证了伺服电机、主轴、从动轴等各执行构件的动作相互协调，系统运行可靠。
2硬件方案设计
本文设计的并联机械手主要由三条主动臂、三条从动臂和上下两个平台组成，每条主动臂上由一个伺服电机驱动，一个铝制主动臂和一组碳棒组成的从动臂连接，两个平台也分别是用铝材料打造而成。三个伺服电机固定在主平台上，电机与铝制主动臂是通过键结构连接，该结构使电机与主动臂联为一体，主动臂另一端同从动臂连接，从动臂与动平台框架连接。当机构圆点回归运动时，主动臂末端连接的三个伺服电机同时作用于动平台，这样就可以让动平台位于固定的一点，全部结构由三维建模软件SOLIDWORKS设计并仿真，在完成仿真后进行分零件加工。并联机械手运动机构的三维模型图如下图1所示。
当机构需要对物体进行抓取时，则需要伺服电机同时输出不同的脉冲数，进而带动整个机构到达指定位置。动平台框架上可以根据生产中的实际需要来安装不同形式的抓手。本文为了实现对不同形状镍铁合金物体的抓取，采用了电磁铁，用于拾取工作台内的镍铁金属物件（例如螺丝，螺帽，硬币等），体现机械手整体的灵活性、精确度而选择，为了不影响吸取周围的金属物件，吸盘的周围增加了缓冲套，为了能吸到物件偏离而设计，也可以防止吸到其他的物件，选择吸盘不止可以金属分类，也可以对金属和非金属的杂物进行筛选。在动平台不但可以装电磁铁，也可以和切割、画图、扫描等功能多元化结合，可以拓展的功能多种多样。
为了进行视觉信息的采集，本机构中采用了摄像头模块，其分辨率为320*640像素，视角为75度广角镜^，主要功能是捕捉工作台上的物件位置外观，可以附件工作录像、实施拍照等功能，增加摄像头可以大大提升了设备的智能化水平，对于不同的器件的分拣，只需要扩展其识别类别即可。摄像头的工作内容为识别工件的位置、形状等信息，将相关信息传输到人机界面，人机界面将数据进一步传输到PLC，等待PLC计算并控制机械手动作并对其监视，确认无误后进行下次识别工作。
PLC可编程控制器作为本装置的控制核心处理器，选择的是三菱Q系列PLC，作为一款中型PLC产品，三菱Q系列PLC具有更高的处理速度和更多的智能模块可以选择。具体的各模块型号如下：Q61P电源、Q30UDCPU、QD75D2N定位模块、QX40输入模块、QY10输出模块、QJ71E71-100以太网模块，伺服运动控制器选择：三个MR J3-10A伺服驱动器、三个HF-KP13伺服电机。
本装置状态的监控采用三维力控监控软件，作为一款主流的控制监控HMI，力控提供了性能优异的实时数据库、多设备接口、专业的HMI等功能，为完成机械手控制系统的设计提供了良好的基础。
3软件方案设计
3.1 PLC控制模块
在PLC程序中采用双精度64位的浮点型传送指令将实物中的主动臂长度，从动臂长度输入到某个指定的位置中，如"EDMOVP E20 D2"。然后，运用PLC程序里的浮点型算法指令"ED*、ED/、ED-、ED+"编写上述计算出夹角的方程，PLC程序中动平台中心点P的坐标是通过外部信号传输给它的，每一次P点的坐标更新都会通过PLC编写的算法重新进行计算，PLC算法最终是计算出主动臂和XY平面的浮点型弧度角，所以需要再通过PLC转化，将算出来的浮点型弧度值转化，如"DINTD D0 D4"。最后对计算出来的弧度进行放大处理转化为三个伺服电机的脉冲数，让三个电机运行到硬币位置，电磁铁得电硬币被吸引实现抓取，抓取后运动到指定区域后电磁铁失电实现硬币放置，完成本次智能识别抓取任务，并进行下一次识别动作准备。
3.2 定位模块参数设置
伺服放大器MR-J3-10A具有更高性能和更高功能，其控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制，广泛用于机械工具和工业机械等需要高精度位置控制和平稳速度控制。伺服控制参数的设定是本设计的重点，通过Q系列PLC的参数设置使用编程软件Works2对其自带定位参数进行修改，伺服系统内部参数设定，是根据系统要求对可编程控制器的参数进行相关设置，从而使PLC通过脉冲来控制伺服放大器来对伺服电机控制，通过设置机械设备和相应电机的速度来对系统进行速度控置。
3.3 PLC控制模块
视觉识别模块主要完成对硬币形状、颜色、大小的识别。它是整个装置中的核心信息驱动模块，主要由工业摄像机和相关软件组成。工业摄像机可以清晰的拍摄到物料圆槽中的所有饰品，并形成图像传递给信息处理计算机，为了完成饰品原料的精确抓取，需要完成样本库的创建、图像的抓取、二值化、轮廓识别、子图抠取、子图旋转、矢量化运算、样本比对等环节，最终完成每个饰品的位置、方位、倾角、文字符号的定位和模式识别。得到这些信息后，机械手才能正常的完成工作。因此视觉识别模块为系统核心模块和其他模块的正常运转提供必要条件。
4系统调试
使用三菱编程软件GX Works2进行程序的编辑，打开GX Works2软件，设置相关PLC参数，进入主程序编辑界面，输入相关程序，编辑QD75P2模块的相关参数。具体操作步骤如下：
（1）新建程序文档，更改程序文件名；
（2）进入软件，更改PLC类型、程序语言；
（3）输入用户程序，在程序编辑框内，逐条输入程序指令；
（4）编辑程序，如果程序中有语法错误，则给出错误的数量。
4.2 模拟调试
通过计算机和PLC连接，使用编程软件GX Works2上的模拟调试功能对系统进行虚拟调试，虚拟调试不需要连接设备减小了系统损耗，也使程序编写更加方便，是系统调试必须要进行的环节，具体操作步骤如下：
（1）在断电情况下，用编程电缆（PC/PPI电缆）将计算机和PLC主机相连；
（2）接通计算机与PLC的工作电源；
（3）在计算机上运行GX Works2软件，并进行正确的通信参数设置；
（4）通过GX Works2软件，将机械手的控制系统程序导入至PLC中，并将相关的定位数据同时写入PLC中；
（5）建立计算机和PLC主机的在线联系；
（6）用户程序监视运行；
（7）用户程序动态调试。
结合程序监视运行的动态显示，分析程序运行的结果，以及影响程序运行的因素，然后在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直至得出正确运行结果为止。
4.3联机调试
在断电条件下硬件线路接好，按照电路图要求，将PLC和外部设备通过航空插座相连，同时将PLC和编程计算机，伺服放大器与伺服电机相连。将系统所有设备接通电源后，PLC在计算机的监视下运行用户程序。观察系统运行动态是否符合设计要求。伺服电机执行回原点动作，定位启动按键断开，按下"原点回归"按键，近位开关将回到起始位置。第一步定位完成。 当摄像头成功的识别出物体后，PLC将位置数据传送给各个伺服放大器，伺服放大器驱动X、Y、Z轴同时运动，到达定位点，接着，PLC控制电磁铁得电，将物体吸引实现抓取；最后，当机械手抓到物体后，再将抓取物体先提升到指定高度，平移，最后下移，到达指定高度后，将物体放置下来，并做好对下一物体的抓取准备，完成了一个抓取周期。
5 结 论
并联机械手由于其刚度大、承载能力弱、响应速度快、精度高以及惯性小等特点，在轻工业中得到了广泛的应用，成为了机械代替人力的典型范例。随着机械手应用的普及，机械手向着专用化、机械结构模块化、可重构化的方向发展，机械手的运动更加的灵活准确多样化，其控制方式也在向着多元化的方向发展，其应用将有着更大的发展空间。
参考文献（References）
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