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基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 7

2 机械手的总体设计方案

2.1 机械手的系统工作原理及组成

机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置[4]。 （一）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。 （1）手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 （2）手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 （3）立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 （4）机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用[6]。

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（二）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动[5]。 （三）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 （四）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

2.2 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种，如图2-1所示: (1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手； ( 3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)多关节型机机械手。

图2-1 工业机械手基本结构形式

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型[6]。

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2.3 驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 机械手的驱动方式共有三种方式:气动方式,液压方式,电驱动方式[7]。

（1）气动方式: 成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属

于简单非伺服型。

（2）液压方式: 功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,

各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。

（3）电驱动方式:

A 步进驱动: 功率小,开环控制,控制简单,可能失步。

B 直流驱动: 调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不

易用于易爆,多粉尘的环境。

C 交流驱动: 维护简单,使用环境不受限制,成本较低,调速性差。 根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用电机驱动和减速机传动来实现机器人的旋转运动；利用气压缸驱动实现手臂上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用气压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型气压缸驱动夹紧。

2.4 机械手的技术参数列表

2.4.1 用途

搬运:用于车间搬运

在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。 2.4.2 设计技术参数:

1. 机械手最大抓重: 1kg 2. 工件尺寸： 直径约1.5～2cm 3. 自由度数: 3个自由度 4. 坐标型式: 圆柱坐标

5. 手指开合角度： 60°（最大速度: 60度每秒） 6. 支座旋转角度: 90°（最大速度: 90度每秒） 7. 手臂运动参数

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伸缩行程：100mm 伸缩速度：100mm/s 升降行程：200mm 升降速度：100mm/s

8. 机械手（重复）定位精度： ?0.5mm

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3 机械手的机械系统设计

3.1 机械手的运动概述

机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。

图3-1 机械手的机构简图

（1）机械手的运动自由度

所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机械手动作灵活程度的参数。

本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度,如图3-1所示。 （2）机械手的工作空间

工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数，工作空间图如图3-2所示。

图3-2 工作空间图

（3）机械手的机械结构类型

圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比

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