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机械手臂设计范文1
前言
由于机械手臂是近现代制造业发展中出现的新型的技术形式，它的逐步发展使得企业整体的生产水平得以进一步提高，因此在这种条件下开发研制一种多关节智能机械手臂，但是这种机械手臂所要涉猎学科广泛，包括机械学、力学和计算机信息技术等，这就使得机械手臂在控制上常常出现一些不足，因此本文主要基于机械手臂的工作原理和构成，采用CAN总线对于机械手臂进行智能控制，可以使得机械手臂的控制能力大大提高。
1.概述机械手臂的组成和工作模式
1.1机械手臂的组成
机械手臂主要是由控制系统和驱动装置、执行装置组成。首先，执行装置主要由手掌和腕部、手臂等组成，主要的用来抓取一些部件和工具，而且它可以根据不同抓取物的大小和形状变换不同的方式抓取；驱动装置主要是使得手臂变换不同的形态对于抓取物进行灵活抓取；控制系统主要是利用网络和多媒体信息技术对于整个机械手臂的自由度进行控制，进而使得机械手臂的自由度进一步提升，相对于以前的点动和连续性控制效率大大提高。由于现在大多的工厂采用伺服电动和计算机信息技术进行机械手臂控制的[1]。
1.2机械手臂的工作模式
机械手臂的伺服驱动装置，主要是通过关节的驱动对于机械手的基本动作进行控制，目前机械手臂主要是采用闭环控制的原理进行控制。伺服电机的基本原理是计算主机给出的关节应该操作的位置和计算机探测到的关节应该操作之间出现的误差，该误差通过数据模型的转换和功放之后，这样可以使得机械手臂和关节操作更加精准。各种伺服电机是现在经常使用的驱动装置，由于一般伺服电机输出的速率较高，输出转矩小，但是关节带动的力度和转速不足，但是力矩却较大。因此，在电机与负载间需要一种优质的驱动装置，使得转矩和转速在一定意义上达成一致。
另一种驱动装置是计算机控制系统，各关节伺服驱动性信号和指示都是通过主机进行计算后采样发出的。计算机根据整体的轨迹运行状态，进而得到在不同阶段和时间下轨迹运行数据，依据反向运动的原理把这些轨迹数据的变化，进一步转化成对于各个关节的指令数据。通常采用主机与关节计算机对于机械手臂进行控制。而且有时候需要进行智能化的操控，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行搜集和处置并进行智能的形态下的辨析、解决问题、工作的规划、进行决策，这些才需要三级计算机形式进行控制[2]。
2.多关节智能机械手臂控制系统的设计
2.1多关节模式的设计
多关节的机械手臂主要是四个手指和六个手指构成，可以在垂直和水平这两个方向进行平面运动，而且通过四个或六个不同的电机对四个或六个手指进行控制，进而使得整个的手臂进行抓取的运动。当电脑的主机发出控制信号的时候，带有传感功能的装置就会对于要抓取的物体的位置进行探测，从而将控制器接收到信号，进而操作电机带动手臂和关节进行运动，等要抓取物体的时候就会对手臂发出指令，进而完成整个抓取动作，抓取结束后智能手臂控制系统还会将指令发送到电机装置，进而使得整个多关节模块完整的得以呈现，还可以使得机械手臂的自由度进一步提升，而且控制效率大大提高[3]。
2.2控制和驱动装置的整体过程的设置
现在国际和国内在控制多关节智能机械手臂主要是采用CAN总线进行调控，机械手臂的每个关节可以通过CAN总线进行规范化的控制和操作，而且每个关节都是这个网络控制下的一个环节，他们之间的关系是缺一不可和相辅相成的。每个关节都要与CAN总线进行连接，而且在传输数据的时候用数据包的形式，这就使得CAN总线通过控制器对于机械手臂的每个环节进行监测；另一方面，每个关节点和环节也可以通过自己的传感器将自己对于机械手臂监测信息传到CAN总线的控制网络上，进而形成一个封闭的控制系统，这样可以使得控制终端及时调整手臂的位置，进而更加精准的完成工作和任务，进一步提高生产的效率，而且还可以节省资源和控制上的人力投入。另外，整个设计过程不光需要硬件设备的投入，还需要注重设计过程中的计算机软件应用程序的建设，这对于完善整个智能手臂的控制设计模式有一定的促进作用，因为软件关系到整个网络控制系统的好坏，因此在设计的过程中很重视这方面的开发和研究。
3.结语
随着现代在制造业的不断发展，以及工业自动和机械化的不断推进，因此这就促使企业研制和探索开发智能机械手臂，从而使得自己的企业的工作和生产的效率进一步得以提升，而且也节约了工作的时间和人力和物力的投入。因此本文首先概述了机械手臂的组成和工作模式；其次，根据机械手臂以上的基本理论和原理的基础上，利用目前国际和国内先进的CAN总线的控制技术和模式，设计一种创新性的智能机械手臂控制装置，进而使得机械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增强，而且也使得机械手臂的便捷性和灵活性大大提升，这对于整体工作效率的提高也也有一定促进作用。
参考文献：
[1]陈玄.基于模糊控制下多自由度机械手臂控制技术的研究[D].中北大学，2014.
机械手臂设计范文2
关键词：多用途抓取类机械手; 设计; 分析;
在人们的社会活动和生产生活当中, 多用途抓取类机械手发挥了较大的作用, 能够帮助人们在危险的环境中进行各种操作, 目前抓取类机械手在工业生产中也有较大的发挥。为了进一步提高抓取类机械手的工作效果, 需要在对不同种类机械手的整体特点和结构进行分析的基础上, 在机械手端部采取电磁铁进行吸附连接, 以此来实现多种机械手之间的灵活转换, 形成多用途抓取类机械手, 并且在机械手部分加上压力传感器和远程控制系统, 以此来对物品的硬度进行判断, 从而选择更加合适的传动方式和驱动方式。
1 多用途抓取类机械手的仿真
1.1 建模仿真
目前常见的多用途抓取类机械手主要包括吸盘式、两爪式和三爪式等类型, 分别在不同场合中进行工作, 在对这些多用途抓取类机械手进行仿真建模的过程中, 其主要包括液压系统、机械系统、控制系统和动力系统。机械系统是多功能机械手完成各项动作的执行结构, 通常包括机械手抓、前臂、支架和底座等工作装置, 在对机械系统进行建模的过程中, 需要对不同的结构配件执行最基本的建模命令, 形成相应的机械结构部件。然后根据机械部件类型的不同, 将机械系统中的机械部件进行相互连接, 主要包括机械手底座与后臂之间的连接, 前臂孔和后臂孔之间的连接, 在机械系统连接完成之后, 对液压装置进行装配, 形成完整的机械手模型[1]。
1.2 对重要元件进行选择
为了保证多用途抓取类机械手能够在不同的环境场合中进行工作, 同时在最大程度上提高机械手的抓取效果, 需要对其中的重要元件进行选择。这些重要元件主要包括这样几个部分:首先是压力传感器, 压力传感器主要安装在机械手指之间, 在机械手进行抓取动作的过程中, 压力传感器能够在对物体的硬度进行判断的基础上, 对所施加的压力进行控制, 保证机械手能够顺利地夹取不同硬度的物体, 在压力传感器的选择上, 可以选择薄片式电阻式应变片来进行使用。另外一种重要元件为PIC控制系统, 根据实际情况来对PLC控制系统设定参考压力值, 在输入压力和参考压力值进行比较之后, 对电动机的输出功率进行调节, 以此来对机械手爪的输出动力进行控制, 方便机械手爪抓取各种不同硬度的物体, 对于PLC控制器的选择, 可以使用三菱FX1S-14M T-E S S/UL。对电磁铁的选择, 电磁铁在通电的情况下能够产生强大的吸附力, 通常应用到吸附式机械手当中, 能够对物体产生吸附力, 使物体进行移动或者拾取, 实现各种抓取部件的灵活转换, 对于电磁铁的选择需要根据机械手的类型和使用场合进行确定[2]。最后是对电机的选择, 电机主要应用到液压传动装置当中, 液压传动装置能够控制机械手臂进行伸长和缩短, 实现机械手臂的各种动作, 电机能够通过转动调节液压杆的油液压力, 来对机械手臂伸长或者缩短的速度进行定植, 一般情况下, 电机的额定电压为1.5~6 V之间, 额定电流在0.02~0.5 A之间, 额定转速为6 000~16 000 r/min之间。
2 对机械手的运动形态进行分析
机械手臂的运动主要体现在前臂、后臂和手掌当中, 在对机械系统的运动形态进行仿真的过程中, 可以对机械手模型中机械系统的各个部件进行仿真建模, 并且通过S tep函数来对物体合适的仰俯角度进行控制, 其中需要注意这种角度需要与机械手的活动范围保持一致。对机械手运动形态的分析主要包括物体的位移、速度和加速度, 3个转动副输出力包括手掌和前臂、后臂中间处、前臂和后臂。在对机械手后臂运动和前臂运动进行分析的过程中, 可以采用ADAMS软件来进行仿真分析, 通过建立相应的模型, 得出机械手臂的运动简图, 能够清晰明了地看出机械手臂机械系统中各个部件的运行形态, 并且在此基础上对机械手臂的运行形态和规律进行分析研究。
3 机械手臂的应力分析
机械手臂的好坏决定着机械手的工作性能, 所以说在对机械手进行设计分析的过程中, 需要对其应力进行分析, 在实际分析的过程中, 可以采用ABAQUS工程模拟有限元软件来进行, 这种模拟软件能够从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题中, 在对机械手臂的应力进行分析的过程中, 就可以以机械手臂为例, 对其静应力和动应力进行分析, 以此来对机械手工作过程中的应力情况进行控制, 防止机械手由于应力问题产生损坏, 影响实际的工作效果。
3.1 机械手臂的静应力分析。
利用ABAQUS软件对机械手臂进行静应力分析, 在分析之间, 根据机械手臂的实际结构情况来对荷载进行设置, 一般情况下设置荷载为10 0 M Pa, 在机械手臂上的各个部分进行编号, 观察编号点应力随时间的变化情况。在经过观察之后可以发现, 当后臂转动的时候, 轴给后臂以径向力, 导致后臂发生形变, 在这样的过程中, 施加在后臂上的应力较大, 在时间的不断增加中, 后臂的形变越来越明显, 这就说明应力越来越大, 在应力持续增加的情况下, 可能会导致机械手臂出现破损的现象, 影响机械手臂的正常工作。
3.2 机械手臂的动应力分析。
动应力主要指的是机械手臂在运动过程中产生的应力, 机械手在对物体进行抓取的过程中会引起机械手臂的运动, 对抓取物体的平稳性和效果产生较大的影响, 所以说一般在对机械手臂动应力分析的过程中, 主要是对是振动作用进行分析, 将利用ABAQUS软件所形成的模型直接导入动应力分析当中, 对机械手臂的变形结构进行绘制, 通过研究分析之后可以发现, 机械后臂在进行旋转运动的过程中, 会发生不同程度的振动, 这样的振动会对机械手的平稳性和抓取准确度造成一定的影响, 在对机械手臂的动应力进行分析之后, 能够得到不同情况下机械后臂的振动特点和规律, 对后臂的设计提供依据[3]。
4 结语
文章在对多用途抓取类机械手臂机械系统中各个作业部件进行仿真建模, 并且在此基础上, 对机械手中所应用的重要元件进行选择, 保证多用途抓取类机械手臂能够实现不同抓取部件之间的转换, 并且通过对机械手臂的运动和应力进行分析, 能够研究出机械手臂的运用规律和应力变化情况, 保证机械手的正常使用。
参考文献
[1]聂永芳, 许家宝.多用途抓取类机械手设计及分析[J].煤矿机械, 2016, 37 (12) :83-85.
机械手臂设计范文3
关键词：PLC控制 气动驱动 工业机械手
在工业生产领域中，工人在工作的时候经常会遇到高温、腐蚀和有毒气体的侵害。这些侵害不仅加大了工人的劳动强度，而且还会危及工人的生命安全。为了减轻工人的劳动强度，保障工人的生命安全，工业机器人由此诞生。
工业机器人执行机构是机械手，它可以模仿人手动作，按照指定的程序和预定的轨迹进行自动抓取和搬运，实现工业现场操作的自动化。机械手按驱动方式可以分为液压式、气动式、电动式和机械式。可编程控制器（PLC）是专门为工业应用设计的利用数字运算操作的电子装置。它具有可靠性高、功能强大、编程简单、人机交互界面友好等特点，广泛应用于工业控制系统中。
笔者设计了一款PLC控制的气动驱动式机械手，实现机械生产过程中的自动上料、下料等装卸任务，从而达到提高工业自动化生产效率的目的。
一、机械手组成
机械手主要由执行机构、气动驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。组成如图1所示。
图1 机械手组成控制原理方框图
其中执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。气动驱动系统包括利用气体压力来驱动机械手执行机构的动力装置、调节装置和辅助装置。PLC是控制机械手动作的控制系统。
二、气动机械手设计方案
气动机械手的特点是快、稳、准，要求能够快速、准确地拾放和搬运物件，而且要有足够的空间、灵活的自由度以及任意位置的自动定位等。
1.物理选型：坐标式选择与自由度分析（参见图2）
（a）
（b）
图2 机械手结构示意简图
根据机械手手臂的运行方式不同、组合情况，其坐标可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。对于本次设计的机械手需要实现在上下料时实现手臂的升降、收缩和回转运动，所以采用圆柱坐标。为了弥补升降运动行程比较小的缺点，故增加手臂摆动结构，即增加了一个手臂上下摆动的自由度。这样，手臂有四个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动，若将立柱的横向移动包含在内，手臂有5个自由度；手腕有左右回转和左右摆动两个自由度，手指有开闭运动和上下摆动两个自由度。整个系统共有九个自由度）。
2.结构方案设计
（1）手指。考虑机械手的通用性，故把手指结构设计成可更换性，比如棒料可以用夹持式手部夹取，板料则要用气流负压式吸盘吸取。用1个汽缸控制开闭， 1个电动机控制上下摆动。
（2）手腕。考虑机械手的通用性，且被抓取的工件是水平放置的，手腕设计成回转结构，由2个回转电动机来驱动手腕进行回转运动和左右摆动。
（3）手臂。根据抓取工件的要求，机械手的手臂设有五个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动以及立柱的横向移动。手臂的回转和升降是由立柱来实现的，立柱的横向移动也就是手臂的横移、手臂的各种运动都是由5个汽缸或电动机来驱动实现的。
3.驱动方案设计
机械手的驱动采用气动驱动方式。气压传动系统的反应比较灵敏，动作比较迅速，阻力产生的损失较小，泄漏也比较小，成本低（参见图3）。
图3 气压传动系统工作原理图
气源由空气压缩机（排气压力大于0.4～0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入并联气路上的电磁阀，以控制机械手动作。
各执行机构调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。手臂伸缩汽缸在接近汽缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程的速度。升降汽缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成，气液传送器汽缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。 为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作汽缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。
4.控制方式选择
为了增强机械手的通用性，同时采用点位控制，我们采用可编程控制器（PLC）来控制机械手的运动（参见图4）。我们只需要改变PLC程序，就可以改变机械手的动作流程，使用起来非常方便。
（1）PLC的结构（参见图5）。PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，一般由中央处理器、编程器、系统存储器、用户存储器和电源组成。
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
（2）系统输入/输出分布表见表1，电磁阀和系统输出对应表见表2。
（3）电路的总体设计。由于篇幅的关系，笔者仅列出含5个主要自由度（手臂的左右回转、手臂的伸缩、手臂的升降、手指的夹紧、手腕回转）的电路设计，并以此来进行PLC编程，回路设计见图6。
图6 系统实现功能示意图
（4）机械手的程序设计。自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测开关检测到工件被取走。然后传送带开始转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，只要机械手取走工件，传送带就开始转动，这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。对程序的要求如下：①首先启动机械手。机械手自动复位，处于初始位置。②在机械手工作前要对其进行设备的检测。即机械手空运行一次，而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控，若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。③机械手设有急停按钮（一般情况下是不被允许使用）只有出现紧急情况时才允许按此按钮。按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系，将被切断各汽缸处于无动力状态。
（5）步进电动机的运行控制。由于对传送带的速度和精度要求不太高，选择三相步进电动机通电方式为三相双三拍，利用PLC中的M8014特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲，然后经光电转换和功放电路驱动步进电动机。
环形脉冲分配器选择YB01芯片，此芯片为专用三相步进电动机环形脉冲分配器，此芯片工作稳定、性能优良，在实际生产中被广泛应用。
①步数控制。当对射式光电检测开关检测到共建的位置时，此时停止向脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机将停在此位置不动。
②手动控制步进电动机。当按下手动启动步进电动机按钮时，M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机开始转动；当按下停止按钮时，步进电动机将停止。
③在报警和暂停状态下，步进电动机也将停止转动。
由此可见，步进电动机控制程序如下：
（6）各模块的程序设计。
①程序初始化。采用中间继电器M8002，中间继电器对系统各部分复位，定义各种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停、急停、复位等标志，程序如下：
②定义系统复位标志M0。M0定义为系统初复位标志，它由机械手的右限位开关X0，下限位开关X5，收缩限位开关X3，手腕右转限位开关X10同时激活，程序如下：
③定义系统启动标志M1。M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活，程序如下：
④定义暂停标志M2。M2为暂停标志由暂停按钮激活，程序如下：
⑤定义急停标志M4。M4定义为急停标志，由急停按钮X19激活M4，同时激活特殊功能继电器M574（禁止状态转换），安全阀将储气罐与机械手的联系切断，程序如下：
⑥定义系统复位标志M5。M5定义为系统复位标志，由复位按钮激活，当按下复位按钮系统时将向右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降，机械手右转的顺序进行复位。当最后一个动作完成、下限位开关有效时，程序将执行RST M5，程序如下：
⑦机械手自检程序。机械手按照给定的顺序（手抓加紧松开﹑手腕右转左转﹑手臂伸长收缩﹑机械手左转右转）空执行一次，在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控。若超过设定时间（定时器设定的时间都超过每个动作的时间）则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号，程序如下：
⑧自动运行程序。此模式为机械手工作的主要模式，这部分采用具有保持功能的状态组件S500-S899，可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：
三、结语
总之，本次设计的是气动通用机械手。相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。采用气动式驱动，动作快速，能够实现准确定位，自动定位，控制性能好，能够很好地适应各种恶劣的工作环境，不会因环境变化影响传动及控制性能。而且阻力损失和泄漏较小，不会污染环境，同时成本低廉。采用PLC控制，可靠性高、可编程性强，无论是进行时间控制，或是进行行程控制、混合控制，都可通过设定PLC程序来实现，根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强，很好地适应了工业控制的要求。
参考文献：
[1]李建国.基于PLC的气动机械手的改装设计[J].液压与气动，2011（8）.
[2]关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化，2012（14）.
机械手臂设计范文4
Abstract： The hydraumatic manipulator mainly takes hydraulic manipulator as the media， and uses the liquid pressure to drive the movement of the actuator. Its main features are： First， it can realize the automation of circulation work and automatic overload protection. Then， the control is simple， convenient and effort. Finally， the non-clearance transmission can be better achieved in this way， and the operation is more smooth and steady.
关键词：液压；机械手；控制
Key words： hydraumatic；manipulator；control
中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）01-0145-02
0 引言
机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、执行轨迹、实现自动抓举或搬运的自动化机械装置。产品机械手价格昂贵，一些小型机械企业望而止步。文中所研究的机械手采用液压驱动方式，主要功能是实现上下料过程的自动化。其造价低廉、控制性好，可为小型机械行业所用。现将设计过程简单介绍。
1 机械手的技术参数
①自由度（四个自由度）
臂转动 180°
臂上下运动 175mm
臂伸长（收缩） 400mm
手部转动 ±90°
②手指握力 392N
③驱动方式 液压驱动
2 主要设计内容
2.1 结构原理设计 根据设计要求绘制出其机械手结构原理图，如图1所示。
2.2 系统结构分析 本次液压机械手的设计主要是由执行机构，驱动装置，被抓取工件等部分组成，各系统之间的相互关系如图2所示。
2.3 机械手机械系统结构设计 机械手的机械结构部分主要是由执行机构构成的，其中执行机构又包括末端操作器、手腕、手臂和机身。
2.3.1 末端操作器
机械手为了进行作业，在手腕上装上了操作机构被定义为末端操作器。它的最为基本作用是：直接抓取工件、工具或物体等，末端操作器的功能与人手相似，工件的形状和特征直接决定末端操作器的机构形式。本次设计手部的结构选择为滑槽杠杆式夹钳。
2.3.2 手腕
机器手的手腕是连接手部和手臂的桥梁，其主要用途是调节、改变工件的坐标，因此具有相对独立的自由度，从而使机器人的手部能够完成各种复杂的动作。一般，按照自由度分类，手腕可以设计为三个自由度。分别为：单自由度、二自由度和三自由度。本次设计中选用的是单自由度手腕。
2.3.3 手臂
手臂是机械手执行机构的尤为重要组成部件。手臂根据它的运动方式可以分成四种类型，它们分别是“直线运动、回转运动、俯仰运动和复合运动。此次设计选用的是直线运动、回转运动的复合运动。
2.3.4 机身
机械手的最基础的部分是机身，它的主要作用是连接、支撑。所以机械手主要承受动力装置、液压装置的重量。
通过Pro/E软件完成机械手的三维造型如图3所示。
2.4 液压驱动系统总体设计 机械手液压系统原理图如图4所示。
3 结束语
四自由度液压机械手系统运转平稳，能准确完成上下料工作，机械密封可靠，说明液压回路的设计及液压元器件的选择满足产品使用的需求。最为重要的是整套设备的制作费用在五千元左右，与产品工业机器手数万元的价格相比，很大程度上满足了小型机械企业向自动化、智能化发展的需求，可为同类产品的设计提供经验。
参考文献：
[1]康立新，马建华.工业机械手的设计[R].工程技术.
[2]谢明广，孔祥战，何宸光.机器人概述[M].哈尔滨：哈尔滨大学出版社，2013.
机械手臂设计范文5
关键词：锻造机械手；建模；虚拟装配；ADAMS仿真
机械手（机器人）是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备[1]。机器人的诞生能够显著提高生产率以及改善工作环境等。因此对机械手的研究具有重大的意义。国内外许多学者已对机械手建模、优化设计、控制、运动学及动力学仿真等方面做了大量的研究工作[2-6]。其中，张明辉等人[2]对并联机械手动力学仿真进行了研究并通过运动学和动力学仿真模型，为进一步对机械手的设计与分析奠定了基础。文献[3]针对五自由度机械手，通过UG建立实体仿真模型，然后将模型导入ADAMS中建立了虚拟样机，并且进行了动力学仿真，分析了末端机械手速度对各关节力矩、角速度和角加速度的影响，这对提高机械手的设计性能及机械手的控制分析等打下了基础。总体来说，对机器人相关的研究方面取得了一些进展，但对机械手（机器人）的研究还有待进一步深入下去。文章的研究正是基于某企业锻造流水线对机械手的功能需求而进行开展的，首先对装配机械手的总体功能进行了分析。然后对各个部分进行了三维建模及虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。最后，运用ADAMS进行仿真分析，结果表明所建立模型正确性与合理性，为下一步研究机械手的智能控制提供了设计参数。
1 应用背景及功能分析
根据某锻造企业的需求，锻造时，锻件按特定的位置放在锻造炉中进行加热；锻造炉门通过PLC控制其开放和关闭状态。当机械手臂靠近炉门时，通过PLC控制其打开，待机械手臂抓取锻件取出后，炉门被再次被控制而关闭。取出后的锻件被机械手臂夹取而放在锻台固定位置后进行锻造的第一个冲压工序。同样的道理对炉中的锻件逐一进行工序一的加工过程；待工序一完成后，再次通过PLC对机械手臂进行控制使其进行抓取以满足工序一过程后进行的工序二的模具要求，直至锻件被加工完成。
2 装配机械手的三维建模
锻造机械手的结构设计要考虑到传动件的定位、零件之间的空间位置等等，同时还要考虑到装配和加工工艺的可行性。基于以上的功能要求等，对各个部分结构设计及建模分别如图1-图5所示。最终建立锻造机械的三维装配模型如图6所示。
图1 底座 图2 转动轴 图3 转向台
图4 转动臂 图5 传动轴 图6 锻造机械手
另外，对关键零部件进行了校核，包括内部传动直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、圆柱蜗杆传动的齿面接触疲劳强度、蜗轮齿根弯曲疲劳强度、蜗杆的刚度等都满足强度或刚度的要求。
3 基于ADAMS的锻造机械手的仿真
利用UG软件强大的建模功能对所设计的锻造机械手进行三维实体建模，然后通过UG和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导人ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化情况，以验证设计的合理性。
在保证锻造机械实现功能的前提下，首先对其三维实体模型进行了简化，如图7所示。
注：1、工件输入带；2、锻造台1；3、机械手；4、锻造台2；5、工件输出带
图7 基于UG软件的机械手简化三维模型
然后，将三维模型导入到ADAMS中，添加相应的运动副约束和驱动约束，如图8所示。
图8 ADAMS环境下的锻造机械手仿真模型
最后得出各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线分别如图9，图10和图11所示。
通过观察各个关节的角位移、角速度和角加速度的变化曲线可以看出，各关节的角位移、角加速度、角加速度平稳，验证了所设计的五自由度送料机械手的合理性。
4 结束语
结合对自动化工业锻造流水线的应用对象，选定了机械手所要实现的功能。首先，对该锻造机械手具体结构进行了建模、虚拟装配，并对部分关键零件进行强度校核。然后利用ADAMS软件对机械手模型进行运动学仿真，并生成各角位移、角速度、角加速度的变化曲线，通过观察各曲线，验证了机械手的合理性。为下一步机械手的智能控制提供了一定的参考。
参考文献
[1]黄金风.MSRS和ODE环境下POWERCUBE模块化机械手的仿真研究[D].大连：大连交通大学，2010.
[2]张明辉，禚宝海.Diamond并联机械手动力学仿真的Simulink实现[J].山东科技大学学报：自然科学版，2010，29（1）：90-94.
[3]刘淑英，张明路，韩慧伶.五自由度机械手动力学分析与仿真[J].河北工业大学学报，2009，38（2）：32-36.
[4]Menon C，Vertechy R，Markot MC， Parenti-Castelli V. Geometrical optimiza-tion of parallel mechanisms based on natural frequency evaluation： application to a spherical mechanism for future space applications. IEEE Transactions on Robotics， 2009，25（1）：12-24.
[5]Muller A， Hufnagel T. Model-based control of redundantly actuated parallel manipulators in redundant coordinates. Robotics and Autonomous Systems， 2012，60（1）：563-71.
机械手臂设计范文6
关键词：升降系统；刀具换刀与夹持；机械手设计
1 升降系统
机床机械手的升降系统是一个非常复杂的系统，它的组成部分包括动力装置、传动装置滚动丝杠、导向柱、调速装置、控制元件等。
机床机械手机构中，升降电机带动丝杠运动，滑座在丝杆上做上下运动，同时机械手在滑座上一同做运动，所以丝杠要承受机械手M和滑座m的重量，如图1。
通过图1分析机械手升降系统的工作过程，当机械手接到机床的指令后，电机开始工作，滑块上机械手手抓上升到选刀排的位置，机械手触发刀库的触点，这时候制动器工作，机械手停止上升，机械手进行换刀，完成之后，机械手回到初始位置。
通过分析机械手升降系统中的电动机，机械手手抓工作的功率，可是在工作过程中，制动器会使电动机功率变大，所以在选用电动机时候电动机的功率是手抓理论功率和制动器功率，如下公式：
P电=P制+P手抓
同时在电机工作过程中，电动机也会随着电动机负载的升高，如图2所示。
2 刀具换刀与夹持
在机床机械手换刀上，是自动换刀装置，同时它还担负着把刀从刀库送到主轴上，刀具在主轴上使用完成之后在从主轴上送回到刀库中，机床刀具的换刀方式有圆盘形、直线型，圆盘形换刀是刀架是一个回转体，每个刀都置于圆盘的外圆端，通过圆盘的选择，刀具旋转到指定位置，机械手进行换刀，这种换刀方法是机床上最常见的。
刀具的夹持设计上，一般选取柄式夹持和法兰式夹持，柄式夹持方法是在轴向夹持，这种方法是利用最多的，因为刀柄的尾部是一个锥柄，这种刀具采用模式锥度方法夹持最方便、快捷。而法兰式夹持方法是在机械手前端安装法兰盘，这种夹持方法有一些繁琐。
3 机械手设计
机床机械的形式有很多，种类繁多，对于每个机械手都有它不同的意义和用处。
单臂单爪回转式机械手，这种机械手的手臂是可以回转运动，而回转运动的摆动线与刀库的轴线平行，意义在于机械手的手抓可以快速地抓取到刀具。
单臂双爪回转式机械手，这种机械手的手臂上有两个机械手手抓，手抓是对称放置，这种机械手的两个手抓是分工的，一个是从刀库拿刀送往主轴，另一个是从主轴将刀具拿回到刀库内。
双臂回转式机械手，这种机械手的手抓不是对称的，是在一天轴线上，轴线的两端放置手抓，两个手抓绕中心做回转运动，这种机械手可以实现刀库取刀和主轴送刀同时进行，节省的时间，提高工作效率。
双机械手，这种结构是有些类似于人的双手，有两个手臂，两个手抓，它们是分别运动的，一个是从刀库取刀，一个是送刀，示意图如图3。
4 结束语
因为制造业和工业不断的发展，科学不断的进步，对生产效率不断提高的要求，单纯的使用人力，是不能满足生产需要的，使得机械手的应用越来越广泛，它可以代替人完成更高要求、难度、重复枯燥的工作，所以机械手现在不仅仅应用在机床上，所以怎样能更大提升机床机械手的性能，怎样将机床的控制系统与机械手完美的连接，怎样能使机械手成为FMS系统中一个重要部分，这是机械手研究设的一个重要环节和意义所在。
参考文献
[1]天津大学《工业机械手设计基础》编写组.工业机械手设计手册[M].天津：天津科学技术出版社，1998.
[2]孙兵，赵斌，施永康.物流搬运机械手的研制[J].机电一体化，2005：43-45.
